ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA

DESARROLLO DE UN MATERIAL TERMOPLÁSTICO OBTENIDO A PARTIR DE ALMIDÓN DE OCA (Oxalis tuberosa) Y

PLASTIFICANTES

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO

ISMAEL ANDRÉS PILLA BARROSO (ismael.pilla@epn.edu.ec)

DIRECTOR: ING. OMAR BONILLA

(omar.bonilla@epn.edu.ec)

Quito, Febrero del 2017

© Escuela Politécnica Nacional (2017)

Reservados todos los derechos de reproducción

DECLARACIÓN

Yo, Ismael Andrés Pilla Barroso, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado todas las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.

La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.

__________________________

Ismael Andrés Pilla Barroso

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por el Sr. Ismael Andrés Pilla Barroso, bajo mi supervisión.

___________________________________

Ing. Omar Bonilla

DIRECTOR DE PROYECTO

AGRADECIMIENTOS

A mis padres: Guillermo y Gloria, quienes me han enseñado el valor del trabajo

duro y que todo esfuerzo tiene su recompensa, gracias por todos sus consejos,

apoyo incondicional y esfuerzo que me supieron brindar para poder alcanzar este

objetivo que estuvo lleno de obstáculos.

A mis hermanos: Paola, Pablo, Melisa e Isaac, que cada uno a su manera me

supieron bridar todo su apoyo, preocupación y optimismo, para iniciar y terminar

esta carrera.

A mis sobrinos: Thomas y Ana Paula, que con sus locuras me supieron llegar de

inspiración y alegría para enfrentarme a los proyectos nuevos de mi vida.

A los ingenieros Omar Bonilla e Hilda Trujillo, por brindarme su confianza y darme

la oportunidad para realizar este proyecto, agradezco por su ayuda, apoyo,

consejos y todo su conocimiento que me supieron ofrecer para concluir este

proyecto.

A mis amigos Marco, Manyu, Jorge, Panda, Nestor, Flor, Michu, Gaby, Kun,

Walla, Fariceo, Silvi, Chiquita y Diana quienes me han permitido ser parte de su

vida, gracias por aparecer el momento indicado, por todas esas risas incontables,

por esos ratos de locuras, por acompañarme a tomar esa buenas y malas

decisiones que hoy nos hacen grandes amigos y gracias por hacer de esta vida

universitaria una grata y divertida etapa de mi vida.

A todos mis amigos, compañeros y conocidos con quienes compartí momentos

agradables y valiosos, gracias por formar parte de mi crecimiento como persona y

mi crecimiento académico.

Finalmente gracias a todos, gracias totales.

DEDICATORIA

A mi querida familia, quienes son el pilar fundamental de mi vida, que con su

incondicional amor, me han sabido apoyar durante este largo camino y que no me

han permitido rendirme en ningún momento hasta cumplir mis sueños.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN xi INTRODUCCIÓN xi 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1 1.1 Almidón como fuente renovable 1

1.1.1 Almidón 2

1.1.2 Uso del almidón en plásticos 4

1.1.3 Plastificantes 7

1.1.4 Alcohol polivínilico (PVA) 8

1.1.5 Almidón de oca 10 1.2 Mezcla de almidón con alcohol polivinílico y glicerina 12

1.2.1 Mezclas 12

1.2.2 Métodos de obtención de películas de almidón 13

1.2.3 Caracterización de las películas 15

1.2.3.1 Solubilidad en agua 15

1.2.3.2 Transición vítrea 15

1.2.3.3 Comportamiento mecánico 18

1.2.3.4 Biodegradación ¡Error! Marcador no definido. 2. PARTE EXPERIMENTAL 20 2.1 Determinación del mejor agente de lavado en el proceso de

extracción del almidón de oca (Oxalis tuberosa) 20

2.1.1 Extracción de almidón de oca (Oxalis tuberosa) 20

2.1.2 Determinación del porcentaje de pureza del almidón 22 2.2 Definición de las concentraciones adecuadas de almidón de oca,

alcohol polivinílico y glicerina para la elaboración de películas de material termoplástico 23

2.2.1 Pruebas preliminares para determinar las variables de estudio del proceso de obtención de películas de material termoplástico. 23

2.2.2 Proceso de elaboración de las películas 25

2.2.2.1 Disolución del alcohol polivinílico (PVA) 25

2.2.2.2 Obtención de las películas 25

2.2.3 Diseño experimental 26 2.3 Caracterización de películas de material termoplástico de almidón

de oca, alcohol polivinílico y glicerina. 28

ii

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 30 3.1 Determinación del mejor agente de lavado en el proceso de

extracción del almidón de oca 30 3.2 Definición de las concentraciones adecuadas de almidón de oca,

alcohol polivinílico y glicerina en la elaboración de películas de material termoplástico 31

3.2.1 Pruebas preliminares para determinar las variables de estudio del proceso de obtención de películas de material termoplástio 31

3.2.2 Obtención de películas 33 3.3 Caracterización de las películas de material termoplástico de

almidón de oca, alcohol polivinílico y glicerina. 34

3.3.1 Datos de espesores generados para los diferentes ensayos físicos y mecánicos 34

3.3.2 Humedad en las películas 37

3.3.3 Solubilidad en agua 39

3.3.4 Temperatura de transición vítrea 42

3.3.5 Propiedades mecánicas 45

3.3.5.1 Resistencia a la tracción 45

3.3.5.2 Elongación a la rotura 51

3.3.5.3 Combinación de las variables de salida para …………………..películas con almidón de 70,38 % depureza 56

3.3.5.4 Combinación de las variables de salida para …………………..películas con almidón de 63,41 % de pureza 58

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 60 4.1 Conclusiones 60 4.2 Recomendaciones 61 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 62 ANEXOS 72

iii

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1.1. Extracción de almidón por regiones 3

Tabla 1.2. Especificaciones de calidad para la glicerina refinada 8

Tabla 1.3. Especificaciones de la cantidad de hidrólisis del PVA 9

Tabla 1.4. Propiedades del PVA 10

Tabla 1.5. Superficie y producción de oca en Ecuador 11

Tabla 1.6. Contenido de almidón en oca y otros tubérculos y raíces 12

Tabla 2.1. Contenido de PVA y glicerina en 100 g de mezcla 27

Tabla 3.1. Resultados del mejor agente de lavado para la exracción de

almidón de oca 30 Tabla 3.2. Resultados de las pruebas preliminares de la mezcla

almidón/glicerina 32 Tabla 3.3. Resultados de las pruebas preliminares de la mezcla

almidón/PVA 32 Tabla 3.4. Resultados de las pruebas preliminares de la mezcla

almidón/glicerina/PVA 33 Tabla 3.5. Análisis estadístico de la influencia de la pureza del almidon

de oca en el espesor de las peliculas obtenidas 35 Tabla 3.6. Análisis estadístico de la influencia de la pureza del almidon

de oca en la humedad de las peliculas obtenidas 38 Tabla 3.7. Análisis estadístico de la influencia de la pureza del almidon

de oca en la solubilidad de las peliculas obtenidas 41 Tabla 3.8. Análisis estadístico de la influencia de la pureza del almidon

de oca en la resistencia a la tracción de las peliculas obtenidas 46 Tabla 3.9. Comparación de los resultados máximos obtenidos en la

investigación y los obtenidos con el software de diseño para las películas con almidón de pureza 70,38 % 49

iv

Tabla 3.10. Comparación de los resultados máximos obtenidos en la investigación y los obtenidos con el software de diseño para las películas con almidón de pureza 63,41 % 51

Tabla 3.11. Análisis estadístico de la influencia de la pureza del almidon

de oca en la elongación a la roturade las peliculas obtenidas 52 Tabla 3.12. Comparación de los resultados máximos obtenidos en la

investigación y los obtenidos con el software de diseño para las películas con almidón de pureza 70,38 % 54

Tabla 3.13. Comparación de los resultados máximos obtenidos en la

investigación y los obtenidos con el software de diseño para las películas con almidón de pureza 63,41 % 56

Tabla 3.14. Resultados de la optimización al maximo valor 59 Tabla AI.1. Espesores de las películas obtenidas con almidón 70,38 % de

pureza 73 Tabla AI.2. Espesores de las películas obtenidas con almidón 63,41 % de

pureza 73 Tabla AI.3. Porcentaje de humedad de las películas obtenidas con almidón

70,38 % de pureza 74 Tabla AI.4. Porcentaje de humedad de las películas obtenidas con almidón

63,41 % de pureza 74 Tabla AI.5. Solubilidad en agua de las películas obtenidas con almidón

70,38 % de pureza 75 Tabla AI.6. Solubilidad en agua de las películas obtenidas con almidón

63,41 % de pureza 75 Tabla AI.7. Resultados de la resistencia a la tracción de las películas

obtenidas con almidón 70,38 % de pureza 76 Tabla AI.8. Resultados de la resistencia a la tracción de las películas

obtenidas con almidón 63,41 % de pureza 76 Tabla AI.9. Resultados de la elongación a la rotura de las películas

obtenidas con almidón 70,38 % de pureza 77 Tabla AI.10. Resultados de la elongación a la rotura de las películas

obtenidas con almidón 63,41 % de pureza 77 Tabla AII.1. Tabla ANOVA de la resistencia a la tensión para películas con

almidón de 70,38 % pureza 79

v

Tabla AII.2. Tabla ANOVA de los resultados de influencia de los factores sobre la elongación a la rotura para películas obtenidas con almidón de 70, 38 % pureza 79

Tabla AII.3. Tabla ANOVA de los resultados de influencia de los factores

sobre la resistencia a la tensión para películas obtenidas con almidón de 63,41 % pureza 80

Tabla AII.4. Tabla ANOVA de los resultados de influencia de los factores

sobre la elongación a la rotura para películas obtenidas con almidón de 63,41 % pureza 80

vi

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1.1. Clasificación de los bioplásticos según su origen 2

Figura 1.2. Estructura de la amilosa 4

Figura 1.3. Estructura de la amilopectina 4

Figura 1.4. Gelatinización del almidón 6

Figura 1.5. Estructura de la glicerina 8

Figura 1.6. Estructura de la síntesis del alcohol polivínilico 9

Figura 1.7. Tubérculo oca 11

Figura 1.8. Foto-micrografía de los gránulos del almidón de oca 12

Figura 1.9. Proceso de obtención de polímeros de base natural 14

Figura 1.10. Diagrama de una extrusora 14

Figura 1.11. Transiciones térmicas de un polímero 16

Figura 1.12. Curva esfuerzo deformación 18

Figura 2.1. Proceso de obtención del almidón de oca: a) lavado y

troceado, b) molienda, c) tamizado, d) sedimentación y e) secado 21

Figura 2.2. Esquema para la obtención de almidón de Oca 22

Figura 2.3. Proceso de obtención de película de material termoplástico: a)

homogenización, b) gelatinización, c) eliminación de burbujas, d) moldeo y e) pulícula seca 26

Figura 3.1. Espesores de las películas ensayadas 34 Figura 3.2. Influencia de PVA y glicerina en el espesor de las películas: a)

almidon 63,41 % de pureza y b) almidon 70,38 % de pureza 36

Figura 3.3. Porcentajes de humedad de las películas ensayadas 37

Figura 3.4. Influencia de PVA y glicerina en la humedad de las películas:

a) almidon 63,41 % de pureza y b) almidon 70,38 % de pureza 39

vii

Figura 3.5. Porcentajes de solubilidad de las películas ensayadas 40 Figura 3.6. Influencia de PVA y glicerina en la solubilidad de las

películas: a) almidon 63,41 % de pureza y b) almidon 70,38 % de pureza 41

Figura 3.7. Zona del termograma obtenido por DSC de la formulación

P3G15 (almidón 70,38 % pureza) 43

Figura 3.8. Zona del termograma obtenido por MT-DSC de la formulación

P3G15 (almidón 70,38 % pureza) 43 Figura 3.9. Zona del termograma obtenido por DSC de la formulación

P3G15 (almidón 63,41 % pureza) 44

Figura 3.10. Zona del termograma obtenido por MT-DSC de la formulación

P3G15 (almidón 63,41 % pureza) 44

Figura 3.11. Resistencia a la atracción (MPa) de las películas ensayadas 45

Figura 3.12. Efecto de las variables experimentales sobre la resistencia a la

tracción (almidón 70,38 % de pureza) 47

Figura 3.13. Diagrama de Pareto para efectos estandarizados de las

variables experimentales sobre la resistencia a la tracción (almidón 70,38 % de pureza) 47

Figura 3.14. Superficie de respuesta estimada de la resistencia a la tensión

(almidón 70,38 % de pureza) 48

Figura 3.15. Efecto de las variables experimentales sobre la resistencia a la

tracción (almidón 63,41 % de pureza) 49

Figura 3.16. Diagrama de Pareto para efectos estandarizados de las

variables experimentales sobre la resistencia a la tracción (almidón 63,41 % de pureza) 50

Figura 3.17. Superficie de respuesta estimada de la resistencia a la tensión

(almidón 63,41 % de pureza) 50 Figura 3.18. Elongación a la rotura (%) de la película de cada mezcla

ensayada 51

Figura 3.19. Efecto de las variables experimentales sobre la elongación a la

rotura (almidón 70,38 % de pureza) 53

Figura 3.20. Diagrama de Pareto para efectos estandarizados de las

variables experimentales sobre la elongación a la rotura (almidón 70,38 % de pureza) 53

viii

Figura 3.21. Superficie de respuesta estimada de la elongación a la rotura

(almidón 70,38 % de pureza) 54

Figura 3.22. Efecto de las variables experimentales sobre la elongación a la

rotura (almidón 63,41 % de pureza) 55

Figura 3.23. Diagrama de Pareto para efectos estandarizados de las

variables experimentales sobre la elongación a la rotura (almidón 63,41 % de pureza) 55

Figura 3.24. Superficie de respuesta estimada de la elongación a la rotura

(almidón 63,41 % de pureza) 56

Figura 3.25. Superficie de respuesta estimada de la optimización múltiple

(almidón 70,38 % de pureza) 57

Figura 3.26. Sobre posición de las variables de salida en la optimización

múltiple (almidón 70,38 % de pureza) 57

Figura 3.27. Superficie de respuesta estimada de la optimización múltiple

(almidón 63,41 % de pureza) 58

Figura 3.28. Sobre posición de las variables de salida en la optimización

múltiple (almidón 63,41 % de pureza 58

Figura AII.1. Ventana de selección de diseño 78

Figura AII.2. Ventana para la selección de los límites máximos y mínimos

de los plastificantes 78

Figura AII.3. Ventana de los datos generados por el programa para las

formulaciones 79

Figura AIII.1. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P3G15 con almidón

de oca 70,38 % de pureza 81

Figura AIII.2. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P3G15 con almidón

de oca 63,41 % de pureza 82

Figura AIII.3. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P5G15 con almidón

de oca 70,38 % de pureza 83

Figura AIII.4. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P5G15 con almidón

de oca 63,41 % de pureza 84

Figura AIII.5. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P1G20 con almidón

de oca 70,38 % de pureza 85

ix

Figura AIII.6. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P1G20 con almidón de oca 63,41 % de pureza 86

Figura AIII.7. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P3G20 con almidón

de oca 70,38 % de pureza 87

Figura AIII.8. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P3G20 con almidón

de oca 63,41 % de pureza 88 Figura AIII.9. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P5G20 con almidón

de oca 70,38 % de pureza 89 Figura AIII.10. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P5G20 con almidón

de oca 63,41 % de pureza 90 Figura AIII.11. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P1G25 con almidón de oca 70,38 % de pureza 91 Figura AIII.12. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P1G25 con almidón de oca 63,41 % de pureza 92 Figura AIII.13. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P3G25 con almidón de oca 70,38 % de pureza 93 Figura AIII.14. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P3G25 con almidón de oca 63,41 % de pureza 94 Figura AIII.15. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P5G25 con almidón de oca 70,38 % de pureza 95 Figura AIII.16. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P5G25 con almidón de oca 63,41 % de pureza 96 Figura AIV.1. Análisis del almidón de pureza 63,41 % 97 Figura AIV.2. Análisis del almidón de pureza 70,38 % 198

x

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

ANEXO I Caracterización física y mecánica de las películas obtenidas con almidón de oca 73 ANEXO II Datos ingresados en el software statgraphics 78 ANEXO III Propiedades mecánicas obtenidas por ensayo de tracción-deformación 81 ANEXO IV Resultados obtenidos de la pureza del almidón de oca 97

xi

RESUMEN El presente proyecto de investigación, tuvo como objetivo obtener un material

termoplástico a partir de almidón de oca (Oxalis tuberosa), glicerina y alcohol

polivinílico (PVA). El proceso de obtención del material termoplástico inició con la

extracción de almidón del tubérculo conocido como oca, para esto se siguió la

metodología de arrastre con agua establecida por el INIAP para tubérculos y

raíces andinos, sin embargo, para la etapa de lavado se probaron dos soluciones,

una de Hidróxido de Sodio (1 M) y otra solución de Bisulfito de Sodio (1500 ppm),

con la que se obtuvo almidón de 63,41 % y 70,38 % de pureza, respectivamente.

Posteriormente se elaboraron películas por el método de vaciado con evaporación

de solvente (casting), manteniendo constante la cantidad de almidón de oca (4 %

w/w), variando la cantidad de glicerina (1,5 %, 2 % y 2,5 %) y alcohol polivinílico

PVA (1 %, 3 % y 5 %). La homogenización y mezcla de los componentes de las

formulaciones se realizó a 65 °C y 400 rpm. El pre-material fue finalmente secado

a 55 °C por 12 horas, hasta la obtención de la película, la misma que presentó

apariencia visual y características macroscópicas deseables.

La caracterización de dichas películas se realizó mediante el porcentaje de

humedad de las películas, solubilidad en agua y propiedades mecánicas. El

porcentaje de humedad aumenta con el contenido de glicerina. Los resultados

obtenidos de la solubilidad en agua de las películas, muestra que esta propiedad

crece al incrementar la cantidad de glicerina y disminuir la concentración de PVA.

Adicionalmente, se realizaron pruebas de tracción-deformación para evaluar la

influencia de la cantidad de glicerina y PVA, en la resistencia a la tracción y

elongación a la rotura de las películas elaboradas. Para ello se usó un diseño

experimental factorial 3², el cual reportó que la resistencia a la tensión aumenta

con el contenido de PVA, mientras que la elongación a la rotura crece al adicionar

glicerina en las formulaciones. Finalmente la simulación del software de diseño

experimental predijo que con la mezcla, con la cual se obtuvo los valores máximos

de la resistencia a la tracción y porcentaje de elongación a la rotura, será la

siguiente: almidón 4 % (w/w), glicerina 2,23 % (w/w) y PVA 5 % (w/w).

xii

INTRODUCCIÓN

El consumo de productos plásticos en los últimos años, ha causado un incremento

en los desechos que se acumulan en los vertederos, generando problemas

ambientales considerables debido a que presentan una alta resistencia a la

descomposición. Por lo tanto, los investigadores han realizado estudios para

introducir en la industria polímeros naturales y biodegradables obtenidos de

fuentes renovables (Brito, Agrawal, Araújo y Mélo, 2011, p. 207).

Se han realizado diversos estudios de investigación en el área de materiales

poliméricos enfocados en fuentes renovables (Mina, Valadez, Herrera, Zuluaga y

Debasto, 2012, p. 83). El almidón se presenta como alternativa para la obtención

de productos sustentables y de uso masivo (Yu, Dean, y Li, 2006, p. 577) y

principalmente sirve como base para materiales termoplásticos, los cuales se

degradan fácilmente (Frost, 2010, p. 1). Con esta perspectiva, la innovación en

este trabajo es el uso de recursos naturales tradicionales de la región andina,

como es el caso del almidón de oca (Oxalis tuberosa), el cual proviene de la

planta cuyo cultivo se da en las zonas altas de la región Sierra. En el Ecuador no

se produce almidón de oca, pero el cultivo de este tubérculo es de 2500 ton

anuales, el mismo que presenta contenido de almidón similar a otros tubérculos y

raíces como papa, mashua, melloco, camote, yuca y achira (Barrera, Tapia y

Monteros, 2004, p. 19).

El almidón se encuentra formando parte de semillas, tubérculos y raíces, es

empleado en distintos sectores industriales como: industria papelera, alimenticia,

farmacéutica y petrolera. Investigaciones anteriores han demostrado que es

posible obtener nuevos materiales a partir de mezclas de almidón y plastificantes,

por procesos tales como la filtración al vacío o termoprocesado (Salgado,

Schmidt, Molina, Mauri y Laurindo, 2008, p. 435). El almidón termoplástico (TPS)

se obtiene por la modificación del almidón con plastificante (agua, sorbitol,

glicerina, etc), comparado con polímeros plásticos sintéticos el almidón

termoplástico presenta desventajas tales como: solubilidad en agua, alta

higroscopicidad, envejecimiento rápido por la retrogradación y bajas propiedades

xiii

mecánicas, esto limita sus aplicaciones como material de empaque (Luna, Villada

y Velasco, 2009, pp. 145 y 146), estas propiedades del TPS se pueden mejorar

con la incorporación de polímeros sintéticos degradables como el alcohol

polivinílico (PVA) (Tudorochi, Cascaval, Rusu y Pruteanu, 2000, p. 786). El PVA

tiene mayor resistencia mecánica y flexibilidad, altas propiedades de barrera al

oxígeno y permeabilidad, presenta adecuadas propiedades para formar películas

con el TPS ya que es altamente polar y puede ser manipulado en soluciones

acuosas (Imam, Cinelli, Gordon y Chiellini, 2005, p. 47).

Bajo este contexto, la presente investigación tiene como objetivo obtener y

caracterizar un material termoplástico a partir de almidón de oca (Oxalis

tuberosa), glicerina y PVA, mediante formulaciones con diferentes

concentraciones de sus componentes.

1

1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

1.1 ALMIDÓN COMO FUENTE RENOVABLE

Con el fin de generar tecnologías innovadoras en la industria de plásticos a nivel

mundial, se han realizado investigaciones que proponen la aplicación y uso de

materia prima de origen vegetal para la producción de polímeros, que se puedan

degradar fácilmente en el ambiente y sin alterar las ventajas químicas e

industriales de su estructura molecular, estos polímeros deben ser libres de los

derivados del petróleo o ser combinados con polímeros sintéticos degradables

(Duran, Morales y Yusti, 2005, p. 128).

El uso de películas de polímeros obtenidas de fuentes naturales depende de

varias características incluyendo costo, disponibilidad, atributos funcionales,

propiedades mecánicas, calidad óptica, requisitos de barrera, resistencia al agua y

la estructura de la aceptación sensorial. Estas características están influenciadas

en gran parte por parámetros tales como el tipo de material utilizado como matriz

estructural, las condiciones de fabricación de la película, el tipo y concentración de

aditivos (Gurgel, Altenhofen, Oliveira y Masumi, 2011, p. 256).

La Organización Europea de Bioplásticos, define a los bioplásticos como plásticos

que provienen de fuentes renovables y son biodegradables, provienen de fuentes

renovables y no son biodegradables o de materiales de origen petroquímico y que

no son biodegradables (Vázquez, Espinosa, Beltrán y Velasco, 2015, p. 2).

Los bioplásticos no están constituidos solamente por un tipo de materiales, sino

por una familia de materiales que poseen distintas propiedades y una amplia

gama de aplicaciones. Las fuentes de plásticos biodegradables se dividen en tres,

bioplásticos basados en fuentes renovables, sintetizados por biotecnología y

polímeros biodegradables sintéticos. Los bioplásticos basados en fuentes

renovables, comprenden todos los polímeros biodegradables cuyo monómeros

son producidos por fermentación de recursos renovables y cuyos monómeros

proceden de la biomasa como la celulosa y el almidón. Los bioplásticos

2

sintetizados por biotecnología comprenden los polímeros cuyo monómero se da

por la fermentación microbiana o se extraen de plantas genéticamente

modificadas, como es el caso de los polihidroxialoanatos (PHA). Los polímeros

biodegradables sintéticos, se obtienen por la polimerización de monómeros

generados de fuentes fósiles como poliésteres alifáticos, alifáticos aromáticos

(alcohol polivínilico) y los poliéster amidas (Guillebon, 2011, p. 6).

En la Figura 1.1 se muestra la clasificación de los polímeros biodegradables,

destacando los que tienen alto grado comercial.

Figura 1.1. Clasificación de los bioplásticos según su origen (Gillebon, 2011, p.7)

1.1.1 ALMIDÓN

El almidón corresponde al segundo biopolímero de mayor presencia en la

naturaleza después de la celulosa y se encuentra formando parte de distintos

recursos renovables en: raíces, tubérculos y semillas. El almidón se encuentra en

el tejido de las plantas en forma de gránulos, lo cual facilita su extracción en

grandes cantidades (Ahmed, Tiwari, Imam y Rao, 2012, p. 4). A nivel industrial la

3

extracción del almidón se da por medio de molienda húmeda, tamizado y secado,

mientras que en laboratorio la extracción se da generalmente por arrastre con

agua, aprovechando la diferencia de densidades entre los gránulos de almidón,

las fibras, proteínas y lípidos.

El almidón se puede encontrar en dos formas: almidón nativo, es el que se extrae

directamente de la planta, y el almidón modificado, es el que en el proceso de

extracción ha sufrido una modificación química para desarrollar propiedades

específicas. El almidón es extraído principalmente para ser aprovechado en la

industria alimenticia y sus principales fuentes son el trigo, el maíz, la papa y la

yuca, pero también se pueden aprovechar otras fuentes como el banano y la oca

(Angellier-Coussy y Dufresne, 2010, p. 161). En la Tabla 1.1, se presentan las

regiones de donde se extrae el almidón de distintas fuentes.

Tabla 1.1. Extracción de almidón por regiones

Fuentes de almidón Regiones donde se produce

Maíz América, Europa, Asia

Trigo Europa, Estados Unidos, Sur América, Asia

Papa Estados Unidos, Europa, Asia (papa dulce)

Yuca Asia, África, Sur América, Estados Unidos

Europa

Banana África, Sur América, Asia, Caribe

(Iman, Wood, Abdelwahab, Chiou, Williams, Glenn y Orts, 2012, p. 6)

Este polisacárido es el producto final de la fotosíntesis y está compuesto por

unidades repetidas de glucosa que se unen entre sí por los enlaces glucosídicos

α(1→ 4) para formar cadenas de polímero lineales llamados amilosa y enlaces

glucosídicos α-D (1→ 4) con enlaces laterales α-D (1→ 6) para formar cadenas

ramificadas llamadas amilopectina (Shretha y Halley, 2014, p. 105) y cuya

morfología consiste en gránulos principalmente esféricos que dependiendo de su

origen botánico tienen diámetros que oscilan entre 1 y 150 um.

En la Figura 1.2, se presenta la estructura de la amilosa y en la Figura 1.3 la

estructura de la amilopectina.

4

Figura 1.2. Estructura de la amilosa (Shretha y Halley, 2014, p 107)

Figura 1.3. Estructura de la amilopectina

(Shretha y Halley, 2014, p 107)

La semicristalinidad del almidón nativo constituye su principal propiedad, donde la

molécula de amilopectina presenta la parte dominante en la cristalización del

almidón y la parte amorfa se da por regiones ramificadas de amilosa y

amilopectina (Meneses, Corrales y Valencia, 2007, p. 59). El almidón nativo sirve

como base para el desarrollo de materiales termoplásticos, los cuales se

degradan en el suelo en azúcares y otros compuestos orgánicos.

1.1.2 USO DEL ALMIDÓN EN PLÁSTICOS

El almidón es un material versátil, de bajo costo y fácilmente disponible para su

uso en polímeros termoplásticos. La inclusión del almidón en formulaciones de

plástico inició en los años 60 y 70, este polisacárido se combina con diferentes

polímeros tales como: espumas de uretano, alcohol polivinílico, copolímeros de

poli formulaciones (ácido etileno-co-acrílico), como carga en cloruro de polivinilo

plastificado, en la conversión de productos químicos tales como etanol, acetona y

ácidos orgánicos, para su uso en la producción de polímeros sintéticos y en la

5

producción de biopolímeros a través de procesos fermentativos y térmicos (Felix,

2011, pp. 82, 87).

Varios estudios han determinado que las propiedades del material resultante

dependen de varios factores como: fuente del almidón, plastificante y su

concentración en la mezcla, el almidón termoplástico (TPS) se produce por

adición de plastificantes (agua, glicerina y sorbitol) que con la combinación de

temperatura y esfuerzos durante la mezcla crean un material termoplástico

moldeable (Luna, Villada y Velasco, 2009, p. 146). Además que al ser

incorporados con polímeros termoplásticos sintéticos como el etileno-alcohol

vinílico (EVOH) y el poliviníl alcohol (PVA), las películas de almidón plastificado

proporcionan excelentes barreras para el oxígeno, vapor de agua y olores, pero

presentan bajas propiedades mecánicas (Flores, 2008, p. 79).

Para transformar el almidón nativo en un material termoplástico, este debe pasar

por un proceso de gelatinización y destructuración, donde se rompe y funde la

estructura semicristalina del mismo. La gelatinización corresponde a la pérdida de

cristalinidad de los gránulos de almidón en presencia de abundante agua y calor

que se da a una temperatura llamada temperatura de gelatinización, la cual

depende del tipo de almidón obtenido. La gelatinización inicia con un

hinchamiento debido a que el agua penetra en la zona amorfa del gránulo.

Inicialmente el hinchamiento es reversible pero al alcanzar la temperatura de

gelatinización el hinchamiento es irreversible. Al aumentar la temperatura, la

movilidad térmica de las moléculas y la solvatación producidas por las fuerzas de

hinchamiento generan que la cristalinidad del gránulo se rompa casi por completo

obteniendo un sol-gel, la viscosidad de la mezcla aumenta con la temperatura

hasta que los gránulos se fragmentan y se disuelven en el agua generando un

decrecimiento en la viscosidad (Ruiz, 2014, p. 59 y Meneses, Corrales y Valencia,

2007, p. 60).

La desestructuración del almidón radica en la transformación del almidón cristalino

en una matriz polimérica amorfa, conjuntamente con el rompimiento de los

puentes de hidrógeno entre las moléculas de almidón, además de la

6

despolimerización parcial de las moléculas. Inicialmente la amilopectina se

descompone en fragmentos pequeños y luego la amilosa, con la aplicación de

mayor energía. Los factores fisicoquímicos del proceso de desestructuración son:

temperatura, esfuerzo cortante, velocidad de cizalladura, tiempo de residencia,

contenido de agua y cantidad total de energía aplicada. La desestructuración

también puede ocurrir cuando se aplica calor. El aumento de temperatura

incrementa la solubilidad del almidón en agua produciéndose una

despolimerización significativa (Ruiz, 2014, p. 60). La Figura 1.4, muestra el

proceso general de gelatinización del almidón y su estabilidad con el paso del

tiempo.

Figura 1.4. Gelatinización del almidón

(Waniska y Gomez, 2002, p. 115)

La retrogradación del almidón, es un fenómeno de recristalización, es decir un

reordenamiento de los puentes de hidrógeno y orientación de las cadenas

moleculares, esto genera una reducción en la solubilidad en agua fría y un

aumento de la turbiedad (Meneses, Corrales y Valencia, 2007, p. 60).

La retrogradación es un proceso que se da de forma continua y por un periodo

prolongado de tiempo, este fenómeno en el almidón es complejo, ya que depende

del contenido de amilosa y amilopectina así como del grado de polimerización del

almidón (Ríos, Ochoa y Morales, 2016, p. 19).

7

1.1.3 PLASTIFICANTES

Los plastificantes son sustancias generalmente líquidas y de mayor viscosidad

que el agua, se emplean ampliamente como aditivos en la matriz polimérica, para

mejorar la procesabilidad y aumentar la flexibilidad, mediante la reducción de las

fuerzas intermoleculares (Schlemmer y Sales, 2009, p. 10). El efecto de

plastificación puede darse por: agua, ácidos orgánicos, aldehídos, cetonas,

amidas, ésteres o la mezcla de estos, pero es adecuado utilizar plastificantes con

baja presión de vapor para evitar que se volatilicen con el calentamiento

(Enríquez, Velasco y Ortiz, 2009, p. 186).

Además, el agua es el disolvente principal en la tecnología de polímeros

naturales. Sus moléculas reducen la temperatura de transición vítrea (Tg) y

aumentan el volumen libre de los biomateriales, y por lo tanto se consideran como

plastificantes (Vieira, Altenhofen, Oliveira y Masumi, 2011, p. 256).

Los glicoles como la glicerina y el sorbitol que tienen bajo peso molecular o

cadenas pequeñas, son adecuados para realizar la plastificación. El plastificante

de mayor uso en la obtención de películas con almidón es la glicerina, la glicerina

o glicerol comercialmente se puede encontrar en tres tipos dependiendo de su

pureza: cruda, grado técnico y refinada (USP o FCC), la glicerina cruda es un

subproducto natural en la obtención de biodiesel, la glicerina de grado técnico

está libre de metanol, jabones y sales, finalmente la glicerina refinada es un

producto de alta pureza que es adecuado para la industria farmacéutica,

cosméticos y alimentos (Posada y Cardona, 2010, p. 13).

Químicamente la glicerina es un tri-alcohol, derivado de fuentes naturales o

petroquímicas, es un líquido incoloro de sabor dulce y sin olor, la influencia de

agua y glicerina en la obtención de materiales termoplásticos es de gran

importancia dado su acción de lubricante, lo cual facilita la movilidad de las

cadenas poliméricas, retardan la retrogradación del material, a mayor cantidad de

glicerina en una matriz polimérica, la elongación y la deformación se incrementan

mientras que el esfuerzo de ruptura, el módulo de Young y la temperatura de

8

transición vítrea (Tg) disminuyen (Villada, Acosta y Velasco, 2008, p. 6). y la

Figura 1.5, se presenta la estructura química de la glicerina.

Tabla 1.2. Especificaciones de calidad para la glicerina refinada

Propiedades Glicerina refinada

grado USP

Contenido de glicerina 99,7%

Ceniza NA

Contenido de humedad 0,3% máx.

Cloruros 10 ppm máx.

Gravedad especifica 1,2612 min.

Sulfato 20 ppm máx.

Metales pesados 5 ppm máx.

Residuos de ignición 100 ppm máx.

Ácidos grasos y ésteres 1000 ppm máx.

Residuos orgánicos NA

(Posada y Cardona, 2009, p. 14)

Figura 1.5. Estructura de la glicerina

1.1.4 ALCOHOL POLIVÍNILICO (PVA)

El Alcohol Polivínilico (PVA) es un polímero sintético soluble en agua caliente, se

obtiene por la hidrólisis del polivinil acetato, al reemplazar los grupos acetatos por

grupos hidroxilos, es un polímero de cadena lineal similar al polietileno, del que se

diferencia por tener un sustituyente OH en lugar de un H, lo cual le genera menor

cristalización respecto al polietileno (Echeverri, Vallejo y Londoño, 2009, p. 62).

9

En la Figura 1.6, se representa la reacción de síntesis del alcohol polivínilico

(PVA).

Figura 1.6. Estructura de la síntesis del alcohol polivínilico

Comercialmente se lo puede encontrar por su grado de hidrólisis, en alto, medio o

parcialmente hidrolizado. El PVA presenta buenas propiedades para formar

películas, ya que es un reactivo adecuado para mezclas con almidón debido a su

alta polaridad y también puede ser usado en soluciones acuosas (Imam, Cinelli,

Gordon y Chiellini, 2005, p 47). En la Tabla 1.3, se especifican los porcentajes de

hidrolisis del PVA comercial.

Tabla 1.3. Especificaciones de la cantidad de hidrólisis del PVA

Hidrólisis Porcentaje

Alto 99

Medio 88

Parcial 78

(Barrera, Rodríguez, Perilla y Algecira, 2007, p. 100 )

El PVA tiene buenas propiedades físicas y mecánicas, así como altas

propiedades de barrera para el oxígeno y permeabilidad, esto ha permitido sus

diversas aplicaciones como fabricación de fibras, recubrimientos para el papel,

adhesivos. En los últimos años el uso del PVA se ha extendido a aplicaciones

biomédicas, como hidrogeles, lentes de contacto, órganos artificiales y

dosificación de medicamentos (Franco, Delvasto, Zuluaga y Marti, 2009, p 1097).

La Tabla 1.4, presenta las principales propiedades del PVA con alto porcentaje de

hidrólisis.

10

Tabla 1.4. Propiedades del PVA

Propiedad Valor

Peso molecular promedio (g/mol) 25000 – 100000

Viscosidad (cP) 5,65

Densidad (g/cm³) 1,3

Resistencia a la tensión (MPa) 65 – 110

Elongación a la ruptura (%) 200

Temperatura de fusión (ºC) 190 – 230

(Franco, Delvasto, Zuluaga y Marti, 2009, p 1098)

1.1.5 ALMIDÓN DE OCA

La región andina se caracteriza por la gran variedad agrícola, donde se pueden

encontrar distintos tipos de productos, como el tubérculo conocido como oca

(Oxalis tuberosa), este tubérculo es actualmente desconocido para la mayor

cantidad de personas en el país y su consumo al igual que otros productos

tradicionales ha ido disminuyendo con el tiempo, de esta manera su mayor

consumo se da en las zonas rurales del país formando parte de la dieta de sus

habitantes. Los almidones obtenidos de otras fuentes como la papa, la yuca y el

maíz son utilizados en diferentes industrias, mientras que la oca es utilizada

solamente para alimentación (Barrera, Tapia y Monteros, 2004, p. 4).

La oca es un tubérculo andino, perteneciente a la familia oxalidácea, se la puede

encontrar en la zona andina de Venezuela, Colombia, Ecuador, Perú y Bolivia. Es

una especia anual erecta que puede alcanzar alturas de 20 a 70 cm, con tallo

cilíndrico y hojas trifoliadas como las del trébol. Su cultivo se produce entre los

2500 a 4100 msnm, el crecimiento de la planta se da entre 220 a 269 días y los

tubérculos alcanzan su máximo crecimiento entre los 170 a 230 días (Yenque,

Santos, Salas, Muños y Lavado, 2007, pp. 7, 8). En el Ecuador la producción de

oca se da en la región sierra, las principales provincias de producción son:

Chimborazo, Cañar, Tungurahua, Azuay y Pichincha. En la Figura 1.7, se muestra

el tubérculo de oca.

11

Figura 1.7. Tubérculo oca (Barrera, Tapia y Monteros, 2004, p.4)

La producción de oca se encuentra registrada hasta el año 1995 y se puede

observar en la Tabla 1.5 (Barrera, Tapia y Monteros, 2004, p. 9).

Tabla 1.5. Superficie y producción de oca en Ecuador

Año Superficie (ha) Producción (t)

1987 524 2669

1988 389 2248

1989 413 2110

1990 399 2224

1991 540 1323

1992 1740 3140

1993 1090 1783

1994 1240 3487

1995 880 2357

(Barrera, Tapia y Monteros, 2004, p. 10)

El almidón de oca es de coloración blanca, de tamaño de partícula menor a 70 µm

y su estructura granular en forma de ovoide. El gránulo del almidón está formado

por capas concéntricas de amilopectina y amilosa. En una harina se puede

detectar la presencia de almidón con una solución de yodo en yoduro de potasio

al 0,1%, este método se puede aplicar gracias a la propiedad de interacción entre

la amilosa y el yodo, produciéndose una coloración azul, debido al complejo que

12

se forma entre una molécula de este elemento con 7-8 moléculas de D-glucosa

(Barrera, Tapia y Monteros, 2004, p. 111). En la Figura 1.8, se muestra la forma

microscópica que tienen los gránulos del almidón de oca.

Figura 1.8. Foto-micrografía de los gránulos del almidón de oca

(Barrera, Tapia y Monteros, 2004, p. 112)

La Tabla 1.6, presenta la comparación de contenido de almidón entre la Oca y

otros tubérculos y raíces.

Tabla 1.6. Contenido de almidón en oca y otros tubérculos y raíces.

Tubérculo/Raíz Almidón (%)

Oca 14,00 ± 1,40

Melloco 7,17 ± 0,83

Zanahoria blanca 16,22 ± 2,68

Papa 16,13 ± 1,67

(Barrera, Tapia y Monteros, 2004, p. 101)

1.2 MEZCLA DE ALMIDÓN CON ALCOHOL POLIVINÍLICO Y

GLICERINA

1.2.1 MEZCLAS

A nivel mundial la sustitución de materiales poliméricos por materiales renovables

ha sido con el pasar del tiempo de gran interés en la industria, por la gran

13

contaminación y acumulación de los materiales poliméricos. Debido a esta

necesidad en las últimas décadas se han realizado varios estudios de mezclas de

almidón con polímeros biodegradables. La finalidad de realizar mezclas de

almidón con diferentes polímeros, tales como: pectina, celulosa, poliácido láctico

(PLA) y alcohol polivínilico (PVA), es mejorar las propiedades mecánicas, reducir

el carácter hidrofílico del almidón y reducir costos de producción. La mezcla de

almidón y PVA representa una de las pocas combinaciones de éxito comercial, ya

que se pueden comercializar como películas agrícolas y bolsas de lavandería

solubles en agua (Lu, Xiao y Xu, 2009, p. 370).

Sin embargo, el contenido de PVA en la mezcla debe ser baja para mantener la

biodegradabilidad, a mayor concentración de PVA en la mezcla, se reducirá esta

tasa de degradación). Los grupos hidroxilo del PVA y almidón forman extensos

enlaces de hidrógeno entre las moléculas y, posteriormente, llevan a una buena

interacciones del sistema (Vroman y Tighzert, 2009, p. 324).

Estudios realizados anteriormente han notificado que las mezclas de PVA y

almidón pueden tener una buena procesabilidad mediante la adición de glicerina.

La glicerina se utiliza para plastificar y gelatinizar las mezclas de PVA/almidón

dando una mejor integridad del sistema. Esto es debido a que los parámetros de

solubilidad de glicerina, PVA y almidón son muy cercanos. Por lo tanto, la glicerina

puede plastificar eficazmente las combinaciones de PVA y almidón (Rahman, Lee,

Rahmat y Samad, 2010, p. 805).

1.2.2 MÉTODOS DE OBTENCIÓN DE PELÍCULAS DE ALMIDÓN

Existen varios métodos por los cuales se pueden obtener mezclas de almidón,

glicerina y PVA, en la industria el método aplicado es el de extrusión, y a nivel

laboratorio se usa el método de casting.

En la Figura 1.9, se muestra el proceso de obtención de artículos plásticos

basados en materia prima renovable.

14

Figura 1.9. Proceso de obtención de polímeros de base natural (Vázquez, Espinosa, Beltrán y Velasco, 2015, p. 4)

El método de extrusión es el más utilizado, la termo plastificación de la mezcla de

PVA y almidón, se realiza mediante una extrusora de tornillo sencillo, en la cual se

obtiene material plastificado y peletizado (Ortiz, Velasco, Fernández, Enríquez y

Roa, 2015, p. 93). La Figura 1.10, presenta el equipo de extrusión.

Figura 1.10. Diagrama de una extrusora

Una de las técnicas a nivel de laboratorio para obtener películas de almidón

termoplástico es la técnica de casting. Este permite elaborar películas

homogéneas con algunas desventajas como baja sensibilidad a la humedad y

bajas propiedades mecánicas (Ortega, Jiménez, Talens y Chiratt, 2014, p. 136).

El método de casting involucra determinar la temperatura de gelatinización del

almidón, la concentración de almidón, glicerina y PVA, el tiempo y temperatura de

15

secado. El proceso inicia con la preparación previa de una solución acuosa de

PVA, la solución de PVA, almidón y glicerina, se lleva a agitación magnética con

calentamiento hasta la temperatura de gelatinización, la mezcla gelatinizada se

coloca en moldes, se seca para evaporar el agua y permitir obtener una película

que se desprenda fácilmente (Valencia, Rivera y Murillo, 2013, p. 43).

1.2.3 CARACTERIZACIÓN DE LAS PELÍCULAS

Existen varias pruebas que permiten caracterizar las películas obtenidas de la

mezcla de almidón/PVA/glicerina. Estas técnicas están dirigidas al estudio del

comportamiento físico, mecánico y térmico.

1.2.3.1 Solubilidad en agua

Las macromoléculas solubles en agua representan una clasificación diversa de

polímeros que van desde biopolímeros, hasta polímeros sintéticos de gran uso

comercial. La importancia de la solubilidad de las películas obtenidas a partir de

almidón está relacionada con su aplicación, en ciertos casos la solubilidad en

agua de las películas es necesaria, en otros casos se prefiere que la solubilidad

sea baja con el fin de ser usada correctamente, como en los alimentos y las

medicinas (McCormick, Lowe y Ayres, 2004, p. 452). Los polímeros solubles en

agua se pueden clasificar en polímeros iónicos y no iónicos o polielectrolitos. Para

ser soluble en agua, los compuestos no iónicos deben ser hidrófilos y

generalmente contienen grupos hidroxilo, amino, o éter. Los polielectrolitos

pueden ser aniónicos, catiónicos, o anfóteros. (Barth, 2007, p.409).

1.2.3.2 Transición vítrea

La transición vítrea es el cambio en las características de la película de almidón al

someterse a calor, al aumentar la temperatura el material pasa de un sólido

16

quebradizo y frágil a flexible. La temperatura a la cual se da este cambio se

conoce como temperatura de transición vítrea (Tg), la Tg está influenciada por las

propiedades del material entre las cuales están: el entrecruzamiento de cadenas,

la rigidez de cadena, aumento de la zona amorfa y la presencia de cristales

(Meneses, Corrales y Valencia, 2007, p. 60).

La Figura 1.11, se observa las transiciones térmicas de un polímero obtenidas

por DSC.

Figura 1.11. Transiciones térmicas de un polímero (Pozuelo, 2015, p.11)

La Tg es una propiedad física significativa de los polímeros. Los polímeros

amorfos, tales como poliestireno, poli (metacrilato de metilo) y polibutadieno, son

duros y frágiles a temperaturas por debajo de Tg. En el calentamiento a

temperaturas por encima de Tg se vuelven elásticos como el caucho. En el caso

de materiales semicristalinos tales como polietileno, polipropileno, y poliamida, la

Tg se encuentra por debajo de la temperatura de fusión y marca el rango de

temperatura en el que al enfriarse, la fragilidad se incrementa notablemente. La

transición vítrea no es una transición de fase como se define en la termodinámica,

es más bien un efecto cinético. Al acercarse a la temperatura de transición vítrea,

17

las altas temperaturas de las moléculas o segmentos de moléculas impiden cada

vez más el movimiento entre sí y la viscosidad aumenta rápidamente hasta que el

material finalmente se solidifica. La consecuencia de esto es que la temperatura

de transición vítrea medida depende de la historia térmica de la muestra y en el

método físico por el cual se ha determinado. Los métodos más comunes para la

determinación de la temperatura de transición vítrea son el análisis térmico

diferencial (DTA) y análisis térmico mecánico dinámico (DMTA) (Rieger, 2007,

p.,199).

La calorimetría diferencial de barrido (DSC), es utilizada para la determinación de

la temperatura de fusión, temperatura de transición vítrea y grado de cristalinidad

mediante la medición del flujo de calor asociado con los cambios exotérmicos y

endotérmicos que ocurren durante las transiciones térmicas en un material.

Sin embargo, durante la gelatinización, la transición vítrea de las regiones amorfas

de gránulos de almidón nativos es extremadamente difícil de detectar

directamente con el método DSC convencional. La discontinuidad en la capacidad

calorífica en la transición vítrea es a menudo demasiado pequeña para ser

medida para el almidón en exceso de agua. Como evolución de la DSC

convencional se tiene DSC a temperatura modulada (MTDSC), con esta técnica,

la muestra experimenta una modulación sinusoidal (oscilación) de temperatura

sobrepuesta a la convencional por lo que la señal de flujo de calor total de la

muestra puede separarse en su capacidad térmica y componentes cinéticos.

Mediante las mediciones de MTDSC, los comportamientos individuales durante la

gelatinización de almidón se identificaron en relación con la composición y las

características estructurales del almidón. El barrido de temperatura modulado en

sí mismo puede interferir con la evaluación de la gelatinización de almidón a

medida que se evalúa la gelatinización según el promedio del flujo de calor total y

temperatura. Además, la estructura compleja de gránulos de almidón nativos y la

naturaleza complicada del proceso de gelatinización de almidón pueden hacer

que el MTDSC no sea adecuado para caracterizar con precisión todos los

sucesos de transición térmica del almidón durante la gelatinización (Xie, Liu, Liu,

Wang, Halley y Yu, 2010, p. 2010).

18

1.2.3.3 Comportamiento mecánico

Las mediciones mecánicas consisten en pruebas para determinar la resistencia a

la tracción, el porcentaje a la rotura, la fuerza de rotura máxima y la deformación

en la rotura, se obtienen de las curvas de deformación de acuerdo a la norma

ASTM-882, utilizando un equipo de prueba de compresión y de tracción, y en el

que las películas se cortan en probetas normalizadas. El ensayo tracción-

deformación, suministra información sobre la resistencia del material y permite

evaluar la durabilidad de este, independientemente de su aplicación, la

resistencia a la tensión y el porcentaje de elongación son las mediciones más

comunes para evaluar estas propiedades (Montalvo, López y Palou, 2012, p. 38).

Durante este ensayo se produce una deformación del material y se puede medir la

fuerza o carga instantánea aplicada perpendicularmente a la probeta, esta fuerza

al ser dividida por el área transversal inicial de la probeta proporciona el valor de

la resistencia a la tracción en unidades de presión (MPa). La deformación es el

cambio o variación en la longitud de la probeta cuando se aplica un esfuerzo o

tensión sobre la misma. (Zamudio, Vargas, Perez, Bosquez y Bello, 2006, p. 276).

La Figura 1.12, muestra el resultado del ensayo de tracción deformación.

Figura 1.12. Curva esfuerzo deformación

19

1.2.3.4 Biodegradación

La biodegradación en películas obtenidas de formulaciones de almidón, PVA y

glicerina, es un aspecto de evaluación importante para estos materiales. La

degradación de estos materiales se puede dar por: foto degradación, agentes

químicos (enzimas) y agentes microbianos (hongos y bacterias). Los agentes

microbianos son el principal mecanismo de biodegradación para las películas

obtenidas de almidón, ya que estas son digeridas por bacterias y hongos, los

cuales fragmentan a la película en sustancias para su alimentación y como fuente

de energía. Posterior a su digestión se libera dióxido de carbono y agua, este

método de degradación es rápido en condiciones adecuadas de humedad,

temperatura y disposición de oxígeno (Merchán, Ballesteros, Jiménez, Medina y

Álvarez, 2009, p. 40).

Otra manera de evaluar la biodegradabilidad es midiendo las propiedades

mecánicas de las películas a lo lardo del tiempo, estudiando el cambio en el

porcentaje de elongación. Además un indicador de la degradación de un polímero

es la pérdida de peso de la película a lo largo de un periodo de degradación

(Vázquez, Espinosa, Beltrán y Velasco, 2007, p. 5).

20

2. PARTE EXPERIMENTAL

2.1 DETERMINACIÓN DEL MEJOR AGENTE DE LAVADO EN EL

PROCESO DE EXTRACCIÓN DEL ALMIDÓN DE OCA

(OXALIS TUBEROSA)

La materia prima a partir de la cual se extrajo el almidón, constituye el tubérculo

conocido como oca, el cual se adquirió en el local número 56 del Mercado Santa

Clara de la ciudad de Quito. El almidón se obtuvo mediante extracción por arrastre

con agua, proceso realizado en el Centro Textil Politécnico.

2.1.1 EXTRACCIÓN DE ALMIDÓN DE OCA (OXALIS TUBEROSA)

Para la extracción de almidón se procesó 40 kilogramos del tubérculo y se

siguieron los pasos del método establecido por el Instituto Nacional de

Investigaciones Agropecuarias “INIAP” con algunas modificaciones, este método

sigue el siguiente procedimiento:

1. El tubérculo fue lavado manualmente para eliminar las impurezas que se

encuentran adheridas.

2. Para reducir el tamaño, inicialmente se trocearon las ocas que sobrepasaran

los 10 cm, luego se realizó una molienda en un extractor de jugos y finalmente

la lechada obtenida se pasó por una malla de 100 µm.

3. Para eliminar el sobrenadante se dejó reposar por 12 horas para

posteriormente decantar este líquido.

4. El producto obtenido en el paso 3 se dividió en 2 partes iguales, una parte se

lavó con una solución 1M de hidróxido de sodio (NaOH) con una relación 1:2,

se dejó reposar por 12 horas y se eliminó el líquido sobrenadante. La otra parte

se lavó con una solución de bisulfito de sodio (NaHSO3) a una concentración

de 1500 ppm con una relación de 1:1, se dejó reposar por 12 horas y se eliminó

el líquido sobrenadante, este paso se repitió dos veces para cada parte.

21

5. Los productos del anterior paso se filtraron al vacío en un embudo Buschner

para luego colocar el almidón en una estufa a 50°C durante 24 horas para

eliminar el agua presente.

6. El almidón obtenido se almacenó en bolsas de polietileno a temperatura

ambiente.

Las Figuras 2.1 y 2.2, muestran el proceso de extracción del almidón de oca.

a) b)

c) d)

e)

Figura 2.1. Proceso de obtención del almidón de oca, a) lavado y troceado, b) molienda, c) tamizado, d) sedimentación y e) secado

22

Figura 2.2. Esquema para la obtención de almidón de Oca

2.1.2 DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE DE PUREZA DEL ALMIDÓN

Para la determinación del porcentaje de pureza del almidón, se realizó un cuarteo,

con la finalidad de obtener una muestra representativa de todo el almidón

LAVADO agua potable

20 kg de Oca

impurezas

CORTADO oca > 10 cm

EXTRACCIÓN corteza

SEDIMENTACIÓN t= 12 h efluente líquida

LAVADO

torta de almidón 6 L solución 1 M NaOH (lavado 1) 3 L solución 1500 ppm NaHSO3 (lavado 2)

SEDIMENTACIÓN t= 12 h

efluente líquida

FILTRACIÓN Al vacío efluente líquida

SECADO T= 50°C; t= 24 h almidón de oca

torta de almidón

agua

23

obtenido. El mejor agente de lavado en la extracción de almidón de oca, fue aquel

que permitió obtener almidón con la mayor pureza.

El análisis, se realizó en el laboratorio certificado de análisis de alimentos, aguas y

afines LABOLAB con la norma NTE-INEN 524:2013 “Harinas de origen vegetal.

Determinación de almidón”

2.2 DEFINICIÓN DE LAS CONCENTRACIONES ADECUADAS DE

ALMIDÓN DE OCA, ALCOHOL POLIVINÍLICO Y GLICERINA

EN LA ELABORACIÓN DE PELÍCULAS DE MATERIAL

TERMOPLÁSTICO.

2.2.1 PRUEBAS PRELIMINARES PARA DETERMINAR LAS VARIABLES DE

ESTUDIO DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE PELÍCULAS DE

MATERIAL TERMOPLÁSTICO.

La determinación de las variables de estudio se basó en experimentaciones

previas, las cuales mantenían constante la cantidad de almidón y se varió la

cantidad de plastificante con el fin de observar la influencia que tenían en la

facilidad de generar una película, además se determinó el porcentaje de humedad

del almidón y la temperatura de gelatinización del almidón, con el fin de

determinar las condiciones de trabajo.

2.2.1.1 Porcentaje de humedad

Para la determinación de la humedad se utilizó la norma AOAC 925.10, para lo

cual se pesaron 2 g de almidón aproximadamente y se secó por 6 horas a 100°C,

luego en un desecador se dejó enfriar hasta llegar a la temperatura ambiente. Con

el peso seco se determinó el porcentaje de humedad en la materia prima, el

porcentaje de humedad resultante fue promedio de tres repeticiones.

24

2.2.1.2 Temperatura de gelatinización

Para la determinación de la temperatura de gelatinización se siguió el

procedimiento establecido en la guía técnica para la producción y análisis de

almidón (Aristizábal y Sánchez, 2007, p. 72).

Se realizó una solución de 100 ml con 10 g de almidón, en un baño termostático

calentando agua a 85 °C, en un vaso de precipitación se tomó una muestra de 50

ml de la solución y se introdujo el vaso en el baño, se agitó constantemente la

muestra hasta que se forme una pasta y la temperatura permanezca estable de

10 a 20 segundos finalmente se leyó directamente la temperatura con el

termómetro. La temperatura de gelatinización resultante fue el promedio de 3

repeticiones.

2.2.1.3 Concentración del almidón

La concentración de almidón de oca para las películas se fijó del proyecto “Films

Prepared with Oxidized Banana Starch: Mechanical and Barrier Properties”

(Zamudio, Vargas, Pérez, Bosquez y Bello, 2006, p. 276)

2.2.1.4 Concentración de plastificante

Se trabajó con glicerina y alcohol polivínilico (PVA) como plastificantes, para

determinar el contenido de glicerina en las películas se basó en el proyecto “Films

Prepared with Oxidized Banana Starch: Mechanical and Barrier Properties”,

tabajando con las cantidades de 1 %, 2 % y 3 % w/w (Zamudio, Vargas, Pérez,

Bosquez y Bello, 2006, p. 276).

Se trabajó con las concentraciones de PVA de 5 %, 10 %, 15 % y 20 % w/w,

estudiados en el proyecto “Síntesis y caracterización de un polímero

25

biodegradable a partir de almidón de yuca” (Meneses, Corales y Valencia, 2007,

p. 61).

2.2.2 PROCESO DE ELABORACIÓN DE LAS PELÍCULAS

2.2.2.1 Disolución del alcohol polivinílico (PVA)

Debido a que el PVA en estado sólido no es soluble en agua a temperatura

ambiente y dificulta la preparación de las soluciones, se realizó un procedimiento

de disolución:

1. Se pesaron 50 g de PVA y se mezclaron con 1 litro de agua destilada,

obteniendo una solución inicial de 0,049 g PVA / g solución.

2. El proceso de disolución del PVA en agua se realizó mediante calentamiento a

90 °C y con agitación mecánica de 600 RPM durante 2 horas.

3. Pasadas las dos horas todo el PVA se disolvió, la solución se enfrió hasta 20

°C para eliminar burbujas, se trasvasó a un recipiente cerrado y se obtuvo una

nueva concentración de 0,1 g de PVA / g de solución.

4. El proceso se repitió por 6 ocasiones para tener la suficiente cantidad de PVA

disuelto para la elaboración de las películas y sus repeticiones.

2.2.2.2 Obtención de las películas

Las películas de almidón de oca se obtuvieron por medio del proceso de casting.

El proceso se basó en preparar una solución de almidón de oca con agua como

solvente y la adición de plastificantes (glicerol y PVA).

1. El almidón y el agua se mezclaron a 20 °C por 10 minutos a 400 RPM, para

homogenizar.

2. La mezcla se llevó a la temperatura de 50 °C en un baño maría, se agregó

glicerina y PVA. Para alcanzar la gelatinización se subió la temperatura a 65 °C

26

la cual se mantuvo constante con agitación de 400 RPM durante 10 minutos

para alcanzar la gelatinización.

3. Una vez obtenido el gel se enfrió hasta 20 °C y se mantuvo a esta temperatura

con agitación de 400 RPM durante 20 minutos para eliminar burbujas.

4. Una vez eliminadas las burbujas del gel, se procedió a depositarlo sobre

placas acrílicas de 15 cm x 15 cm.

5. Las placas se llevaron a una estufa a 55 °C por 12 horas, luego de lo cual se

esperó a que se enfríen para posteriormente desmoldar.

La Figura 2.3, representa el proceso de elaboración de las películas.

a) b) c)

d) e)

Figura 2.3. Proceso de obtención de película de material termoplástico: a) homogenización, b) gelatinización, c) eliminación de burbujas, d) moldeo y e) película

seca

2.2.3 DISEÑO EXPERIMENTAL

Se diseñó un modelo experimental que permita optimizar la resistencia a la

tracción y la elongación a la rotura de las películas obtenidas, es así que durante

27

la experimentación se trabajó con un modelo factorial 3². Se estudió la influencia

de las variables (concentración de glicerina y concentración de PVA) que afectan

a las propiedades antes mencionadas. Para el análisis del experimento se utilizó

el programa STATGRAPHICS XVI, el cual elaboró 9 mezclas con 2 repeticiones

de cada una. Se formuló una nomenclatura específica para identificar cada

formulación, la misma que se detalla a continuación:

PxGy

Dónde:

P: PVA

x: porcentaje de PVA

G: Glicerina

y: cantidad de glicerina

El detalle de las composiciones de PVA y glicerina en peso, utilizadas en el diseño

factorial 3² se muestra en la Tabla 2.1.

Tabla 2.1. Contenido de PVA y glicerina en 100 g de mezcla

Formulaciones Composiciones en gramos

PVA Glicerina

P1G15 1 1,5

P3G15 3 1,5

P5G15 5 1,5

P1G20 1 2

P3G20 3 2

P5G20 5 2

P1G25 1 2,5

P3G25 3 2,5

P5G25 5 2,5

Para el análisis estadístico de la influencia del porcentaje de pureza en el espesor,

solubilidad y humedad de las películas elaboradas, así como en la resistencia a la

tracción y el porcentaje de elongación a la rotura de las películas, se realizó un

análisis de varianza de un factor y se evaluó el valor de p en los análisis

realizados.

28

2.3 CARACTERIZACIÓN DE PELÍCULAS DE MATERIAL

TERMOPLÁSTICO DE ALMIDÓN DE OCA, ALCOHOL

POLIVINÍLICO Y GLICERINA.

La caracterización de las películas se realizó mediante: porcentaje de humedad

de las películas, solubilidad en agua, temperatura de transición vítrea (Tg) y

propiedades mecánicas.

2.3.1 HUMEDAD EN LA PELÍCULAS

La determinación de la humedad en las películas se realizó mediante gravimetría,

para lo cual se pesaron 0,5 g aproximadamente de cada película y se secó a 110

°C durante 4 horas con el fin de tener un peso constante, luego en un desecador

se dejó enfriar hasta llegar a la temperatura ambiente. El porcentaje de humedad

de cada película fue el promedio de tres repeticiones.

2.3.2 SOLUBILIDAD EN AGUA

Para la determinación de la solubilidad en agua de cada formulación se utilizó la

norma NTE-INEN 2048:2006 “Plásticos. Determinación de la absorción de agua”.

Se generó probetas cuadradas de 50 mm ± 1mm, estas fueron secadas a 50 °C

por 24 horas, luego en un desecador se enfrió hasta la temperatura ambiente para

luego pesar cada película, después se colocó la probeta en un vaso de 400 ml

con agua, finalmente se retiraron luego de 24 h y se secaron.

2.3.3 TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VÍTREA

La temperatura de transición vítrea de las películas se determinó mediante el

análisis de calometría diferencial de barrido con temperatura modulada (MT-DSC),

29

se realizó mediante un calorímetro diferencial de barrido Netzsch, modelo DSC

204 F1 Phoenix provisto de un intercooler para el enfriamiento a velocidad

constante, en un rango de temperaturas de 0 °C a 200 °C y 20 mg de muestra, se

realizó una repetición para este análisis.

2.3.4 PROPIEDADES MECÁNICAS

Las propiedades mecánicas tales como: porcentaje de elongación a la rotura y

resistencia a la tracción de las películas, se evaluaron mediante el ensayo de

tracción deformación en un sentido.

Este ensayo se realizó en el Laboratorio del Centro de Investigación Aplicada de

polímeros (CIAP), en la máquina universal de ensayos Instron, mediante la norma

ASTM D 882-10 “Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic

Sheeting”.

Se elaboraron probetas normalizadas de 110 mm x 12 mm, con 2 repeticiones

para cada formulación y se trabajó bajo las siguientes condiciones:

· Velocidad del ensayo: 500 mm/min

· Temperatura ambiental: 18 °C

· Separación de las mordazas: 100 mm

30

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1 DETERMINACIÓN DEL MEJOR AGENTE DE LAVADO EN EL

PROCESO DE EXTRACCIÓN DEL ALMIDÓN DE OCA

Para la determinación del mejor agente de lavado se trabajó con dos agentes

hidróxido de sodio (NaOH) y bisulfito de sodio (NaHSO3) como se explicó en la

sección 2.1.1.

La evaluación se llevó a cabo con base a los resultados obtenidos del rendimiento

en base húmeda, pureza del almidón obtenido, cantidad de agua utilizada

determinada por el número de lavados realizados, regulación del CONSEP y se

tomó en cuenta el tiempo de procesado del tubérculo oca con cada uno de los

agentes de lavado para poder obtener el almidón necesario. Los resultados de la

determinación del mejor agente de lavado en el proceso de extracción del almidón

de oca se reportan en la Tabla 3.1.

Tabla 3.1. Resultados del mejor agente de lavado para la extracción de almidón de oca

Agente de lavado Hidróxido de sodio

NaOH

Bisulfito de sodio

NaHSO3

Rendimiento de almidón en base

húmeda (%) 10,03 9,22

Pureza (%) 63,41 70,38

Número de lavados

requeridos 4 2

Tiempo de proceso requerido

(días) 3 2

Agente regulado por el CONSEP

Si No

Como se puede observar en la Tabla 3.1, los resultados alcanzados con cada uno

de los agentes utilizados en el lavado, muestran que al utilizar NaOH se obtiene

31

un mejor rendimiento en base húmeda, mientras que los resultados con el

NaHSO3, muestran un mejor valor de porcentaje de pureza, menor número de

lavados, lo que implica un menor consumo de agua, menor tiempo de procesado

y su uso no es regulado por el CONSEP.

Por lo anterior, se seleccionó al bisulfito de sodio como el mejor agente de lavado

en la extracción de almidón de oca.

3.2 DEFINICIÓN DE LAS CONCENTRACIONES ADECUADAS DE

ALMIDÓN DE OCA, ALCOHOL POLIVINÍLICO Y

GLICERINA EN LA ELABORACIÓN DE PELÍCULAS DE

MATERIAL TERMOPLÁSTICO.

3.2.1 PRUEBAS PRELIMINARES PARA DETERMINAR LAS

VARIABLES DE ESTUDIO DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE

PELÍCULAS DE MATERIAL TERMOPLÁSTIO

Con base en las pruebas preliminares realizadas para determinar las variables de

estudio y sus respectivos niveles, como se indica en la sección 2.2.1, se permitió

definir la concentración de cada uno de los plastificantes (PVA y glicerina) que

permitan obtener películas flexibles.

En primera instancia la concentración de almidón para todas las formulaciones se

mantuvo constante con un valor de 4 % del total de la formulación. La primera

parte de las pruebas preliminares se trabajó con almidón de oca del 63,41 % de

pureza glicerina como plastificante, se varió la cantidad de este plastificante con

la finalidad de obtener películas y estas películas fueron evaluadas

macroscópicamente.

La Tabla 3.2, presentan los resultados de los ensayos preliminares realizados

para películas obtenidas con almidón de oca, se observó que con cantidades de

32

glicerina menores o iguales al 1 % no se generaron películas, con una

concentración de 2 % se obtuvieron películas y con cantidades mayores o iguales

a 3 % no se adapta al molde.

Por este motivo se trabajó con cantidades cercanas al 2 %, las concentraciones

de glicerina, que facilitan la formación de películas por moldeo con evaporación de

solvente (agua) en las pruebas preliminares, son las correspondientes a 1,5 %, 2

% y 2,5 % (w/w).

Tabla 3.2. Resultados de las pruebas preliminares de la mezcla almidón/glicerina

No. %

Almidón %

Glicerina Facilidad de

moldeo Forma película

Flexible Quebradiza

1 4 1 Si No ------- ------

2 4 1,5 Si Si Si No

3 4 2 Si Si Si No

4 4 2,5 Si Si Si No

5 4 3 No No ----- -----

En la segunda parte de las pruebas preliminares, se trabajó con PVA con la

finalidad de obtener las concentraciones adecuadas, las cuales fueron evaluadas

macroscópicamente. En la Tabla 3.3, se muestran los resultados preliminares con

respecto al PVA como plastificante.

Tabla 3.3. Resultados de las pruebas preliminares de la mezcla almidón/PVA

No. %

Almidón % PVA

Facilidad de moldeo

Forma película

Flexible Quebradiza

1 4 1 Si Si No Si

2 4 3 Si Si No Si

3 4 5 Si Si No Si

4 4 7 No No ----- -----

5 4 9 No No ----- -----

Para las concentraciones de PVA, que faciliten la formación de películas por

evaporación de solvente, se basó en bibliografía sabiendo que este no podía

33

sobre pasar el 15 % (w/w) en la mezcla, como se muestra en el punto 2.2.1.4. De

los resultados se puede observar que con cantidades de PVA menores o iguales

al 5 % se obtienen fácilmente películas aunque quebradizas, mientras que con

valores mayores no se consiguen obtener películas.

3.2.2 OBTENCIÓN DE PELÍCULAS

Con las pruebas preliminares, se estableció individualmente la cantidad en peso

de los plastificantes que permitan la obtención de películas sin embargo se pudo

observar macroscópicamente que estas películas no tenían las características

adecuadas para su posterior evaluación.

Por lo tanto, para mejorar las características macroscópicas de las películas se

combinaron los dos plastificantes. Los resultados de la experimentación con la

combinación de glicerina y PVA se detallan en la Tabla 3.4.

Tabla 3.4. Resultados de las pruebas preliminares de la mezcla almidón/glicerina/PVA

No. % PVA % Glicerina Facilidad de

moldeo Forma película

Flexible Quebradiza

1 1 1,5 Si No Si No

2 3 1,5 Si Si Si No

3 5 1,5 Si Si Si No

4 1 2 Si Si Si No

5 3 2 Si Si Si No

6 5 2 Si Si Si No

7 1 2,5 Si Si Si No

8 3 2,5 Si Si Si No

9 5 2,5 Si Si Si No

Las películas de las formulaciones 2 a la 9, obtenidas con la combinación de

glicerina y PVA, muestran macroscópicamente que poseen características

adecuadas para su evacuación física y mecánica. Mientras que la película

34

obtenida de la formulación 1 se desechó debido a que no se pudo obtener una

película.

3.3 CARACTERIZACIÓN DE LAS PELÍCULAS DE MATERIAL

TERMOPLÁSTICO DE ALMIDÓN DE OCA, ALCOHOL

POLIVINÍLICO Y GLICERINA.

3.3.1 DATOS DE ESPESORES GENERADOS PARA LOS DIFERENTES

ENSAYOS FÍSICOS Y MECÁNICOS

Antes de estudiar el comportamiento físico y mecánico se realizó una evaluación

del espesor, debido a que el aspecto físico de las películas obtenidas con

diferentes formulaciones fue similar. Los resultados promedios y las desviaciones

estándar de los espesores de las películas formuladas con almidón de 70,38 % y

63,41 % de pureza están reportados en las Tablas AI.1 y AI.2 respectivamente.

Se puede observar en la Figura 3.1 que el espero de las películas obtenidas con

almidón al 63,41 % de pureza tienen una tendencia ascendente en comparación a

las películas elaboradas con almidón al 70,38 % de pureza.

Figura 3.1. Espesores de las películas ensayadas

35

El espesor de las películas P3G15, P1G20, P3G20, P5G20, P1G25, P3G25 y

P5G25 obtenidas con almidón al 63,41 % de pureza, si bien presentan un valor

más alto que el de las películas formadas con almidón al 70,38 % de pureza, este

aumento no es significativo estadísticamente (p>0,05).

La película P5G15 elaborada con almidón al 63,41 % de pureza, en cambio, si

presenta un aumento significativo estadísticamente (p<0,05), en los resultados al

compararlo con el espesor de la película P5G15 elaborada con almidón al

70,38.% de pureza.

En la Tabla 3.5, se determinó estadísticamente con el valor de p, que la variación

en la pureza del almidón no afectan significativamente al espesor esperado en las

películas obtenidas con estos almidones.

Tabla 3.5. Análisis estadístico de la influencia de la pureza del almidón de oca y el espesor de las películas obtenidas

Formulaciones F Probabilidad

P3G15 0,023 0,887

P5G15 9,961 0,034

P1G20 5,042 0,088

P3G20 1,935 0,237

P5G20 2,189 0,213

P1G25 0,237 0,652

P3G25 3,915 0,119

P5G25 6,393 0,065

La reducida variación se debe al contenido de pureza del almidón ya que en el

momento de la gelatinización solo se plastifica la parte del almidón para formar la

película, mientras que los demás componentes (lípidos, proteínas y fibras), no

intervienen en este proceso.

Finalmente, en la Figura 3.2, se muestra estadísticamente que el espesor de las

películas elaboradas con almidón de 63,41 % y 70,38 % de pureza, está

36

1,0

Glicerina

2,5

0,22

0,26

0,3

0,34

0,38

Esp

eso

r

PVA

5,0 1,5

1,0

Glicerina

2,5

0,21

0,23

0,25

0,27

0,29

0,31

0,33

Esp

eso

r

PVA

5,0 1,5

relacionado directamente con la cantidad de glicerina y PVA utilizados en la

mezcla para obtener las películas.

a)

b)

Figura 3.2. Influencia de PVA y glicerina en el espesor de las películas a) almidón de 63,41 % de pureza y b) almidón de 70,38 % de pureza

Este aumento es significativo estadísticamente (p<0,05) es debido a que, a

medida que aumenta la concentración de plastificantes (glicerina y PVA), las

fuerzas intermoleculares se presentan en menor cantidad permitiendo que el

espesor de la película aumente. La glicerina se encarga de ampliar la movilidad

de las moléculas en la matriz polimérica, al aumentar la cantidad de glicerina se

magnifica este efecto, las películas P5G15 y P5G25 elaboradas con almidón

63,41 % de pureza y la película P5G20 obtenida con almidón 70,38 % de pureza

presentan una dispersión amplia en los resultados en comparación con las otras

películas esto debido a la cantidad de PVA y al proceso de mesclado de las

formulaciones (Villada, Acosta y Velasco, 2008, p. 8).

Estas dispersiones encontradas en los ensayos con dos repeticiones, se deben a

las dificultades físicas del mezclado, ya que el PVA a 5 % y 1,5 % de glicerina se

produce una mezcla viscosa.

37

3.3.2 HUMEDAD EN LAS PELÍCULAS

Los resultados promedios y las desviaciones estándar del porcentaje de humedad

de las películas obtenidas con almidón al 70,38 % y 63,41 % de pureza, se

reportan en las Tablas AI.3 y AI.4 respectivamente.

Una vez evaluados estos resultados de la Figura 3.3 que la humedad de las

películas obtenidas con almidón al 63,41 % de pureza tienen una tendencia

ascendente en comparación a las películas elaboradas con almidón al 70,38 % de

pureza.

Figura 3.3. Porcentajes de humedad de las películas ensayadas

La humedad de las películas P3G15, P5G15 ,P1G20, P3G20, P5G20, P1G25 y

P3G25 obtenidas con almidón al 63,41 % de pureza, presentan un valor más alto

que el de las películas formadas con almidón al 70,38 % de pureza, este aumento

es significativo estadísticamente (p<0,05).La película P5G25 elaborada con

almidón al 63,41 % de pureza, si bien, presenta un aumento en la humedad al

comparado con la humedad de la película P5G25 elaborada con almidón al 70,38

% de pureza, este incremento no es significativo estadísticamente (p>0,05).

38

En la Tabla 3.6, se determinó estadísticamente que la pureza del almidón al

63,41,,% y 70,38 % afectan significativamente a la humedad esperada en las

películas obtenidas con estos almidones.

Tabla 3.6. Análisis estadístico de la influencia de la pureza del almidón de oca en la

humedad de las películas obtenidas

Formulaciones F Probabilidad

P3G15 14,299 0,019

P5G15 142,117 0,000

P1G20 22,266 0,009

P3G20 17,449 0,014

P5G20 16,618 0,015

P1G25 16,854 0,015

P3G25 15,808 0,016

P5G25 4,922 0,091

El porcentaje de humedad en la película presenta una relación inversa con el

contenido de pureza del almidón, esto se debe a que en la etapa de plastificación

de las mezclas con el almidón al 63,41 % de pureza, el consumo de agua para

obtener la película va a ser menor y la cantidad de agua libre que en el momento

del secado aumenta (Posada y Cardona, 2010, p 13).

La influencia del PVA en la humedad de las películas elaboradas con almidón de

63,41 % y 70,38 % de pureza es significativa estadísticamente debido a que el

valor de p es menor a 0,05 y al aumentar el contenido de PVA, el porcentaje de

humedad disminuye. También la Figura 3.4, muestra que la influencia de glicerina

en las películas elaboradas con las almidones de las dos purezas es significativa

estadísticamente debido que el valor correspondiente a p es mayor que 0,05 y la

relación entre el porcentaje de humedad y la cantidad de glicerina es directa.

En la Figura 3.4, se muestra que la influencia del PVA en la humedad de las

películas.

39

1,0

Glicerina

2,5

7,1

8,1

9,1

10,1

11,1

12,1

13,1

Hu

med

ad

PVA

5,0 1,5

1,0

Glicerina

2,5

5,5

6,5

7,5

8,5

9,5

Hu

med

ad

PVA

5,0 1,5

a)

b)

Figura 3.4. Influencia de PVA y glicerina en la humedad de las películas, a) almidón de

63,41 % de pureza y b) almidón de 70,38 % de pureza

3.3.3 SOLUBILIDAD EN AGUA

Dependiendo de la aplicación posterior de las películas, se deberán escoger las

formulaciones adecuadas para ese uso, este trabajo se limita a estudiar como la

cantidad de plastificante (glicerina y PVA) y la pureza del almidón influyen en esta

característica. Los resultados promedios y las desviaciones estándar del

porcentaje de la solubilidad en agua de las películas elaboradas con almidón de

63,41 % y 70,38 % de pureza, se muestran en las Tablas AI.5 y AI.6

respectivamente.

Se observa en la Figura 3.5, que la solubilidad de las películas obtenidas con

almidón al 63,41 % de pureza tiene una tendencia a disminuir su valor realizando

una comparación de las películas elaboradas con almidón al 70,38 % de pureza

en las cuales se observa un mayor valor.

40

Figura 3.5. Porcentajes de solubilidad de las películas ensayadas

La solubilidad de las películas P3G15, P5G15 , P1G20, P3G20, P1G25 y P3G25

obtenidas con almidón al 70,38 % de pureza, si bien presentan un aumento en

este valor, que el de las películas formadas con almidón al 63,41 % de pureza,

este aumento no es significativo estadísticamente ya que el valor de p es mayor

que 0,05.

Las películas P5G20 y P5G25 elaborada con almidón al 70,38 % de pureza, en

cambio, si presenta un aumento significativo estadísticamente ya que el valor de p

es menor a 0,05; en los resultados al compararlo con la solubilidad de las

películas P5G20 y P5G25 elaboradas con almidón al 63,41 % de pureza, estas

películas presentan mayor cantidad de dispersiones que las otras películas

producidas.

En la Tabla 3.7, se muestran los datos obtenidos al realizar un análisis estadístico

con estos datos se pudo determinó estadísticamente que los valores de pureza

del almidón al 63,41 % y 70,38 % no afectan significativamente a la solubilidad en

las películas obtenidas con estos almidones.

41

1,0

Glicerina

2,5

16

19

22

25

28

31

So

lub

ilid

ad

PVA

5,0 1,5

1,0

Glicerina

2,5

18

20

22

24

26

28

30

So

lub

ilid

ad

PVA

5,0 1,5

Tabla 3.7. Análisis estadístico de la influencia de la pureza de la oca en la solubilidad de las películas obtenidas

Formulaciones F Probabilidad

P3G15 4,732 0,095

P5G15 0,184 0,690

P1G20 0,003 0,957

P3G20 0,209 0,671

P5G20 48,082 0,002

P1G25 2,360 0,199

P3G25 6,963 0,058

P5G25 23,968 0,008

La Figura 3.6, muestra la influencia entre la cantidad de PVA y glicerina con la

solubilidad de las películas

a)

b)

Figura 3.6. Influencia de PVA y glicerina en la solubilidad de las películas, a) almidón de 63,41% de pureza y b) almidón de 70,38% de pureza

Además en esta figura se puede observar una relación inversa entre la cantidad

de PVA utilizada en las mezclas y la solubilidad de las películas, obtenidas con

almidón de 63,41 % y 70,38 % de pureza.

42

El aumento en la solubilidad en agua de las películas con la disminución de PVA

es significativa estadísticamente (p<0,05).

Mientras que la cantidad de glicerina y la solubilidad de las películas están en una

relación directa, el aumento de la solubilidad con el aumento de la glicerina es

significativa estadísticamente (p<0,05).

3.3.4 TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VÍTREA

Para determinar la temperatura de transición vítrea (Tg), se aplicaron dos

métodos, calorimetría diferencial de barrido (DSC) realizado en el CIAP y

calorimetría diferencial de barrido con temperatura modulada (MT-DSC), realizado

en el Laboratorio de Nuevos Materiales de la Facultad de Ingeniería Mecánica.

De acuerdo al documento científico “Investigación de almidones termoplásticos,

precursores de productos biodegradables”, al aumentar la cantidad de glicerina en

la mezcla, la temperatura de transición vítrea (Tg) en la película disminuye, de la

revisión bibliografía, la Tg en películas de almidón con plastificantes se encuentra

en un rango de temperatura de 60°C a 80°C (Villada, Acosta y Velasco, 2008,

p.11)

Como se puede observar en las Figuras 3.7 y 3.8, correspondientes al método de

DSC, y las Figuras 3.9 y 3.10, correspondientes al método de MT-DSC, no se

puede apreciar claramente la presencia de la temperatura de transición vítrea, en

los ensayos realizados con los dos métodos antes mencionados, esto debido a

que la cantidad de agua presente en la película final, opaca la lectura de la Tg, ya

que el agua actúa como plastificante del almidón (Tan, Wee, Sopade, Halley,

2008, p. 192)

Evaluando las Figuras 3.7, 3.8, 3.9 y 3.10, en el rango de temperaturas obtenidas

de bibliografía no se puede notar un cambio en la línea base para determinar la

Tg de la película, una de las opciones para poder apreciar la Tg en el

43

termograma sería eliminar la cantidad de agua en las mezclas, pero esta acción

afecta significativamente las propiedades físicas y mecánicas de las películas.

Figura 3.7. Zona del termograma obtenido por DSC de la formulación P3G15 (almidón

70,38 % pureza)

Figura 3.8. Zona del termograma obtenido por MT-DSC de la formulación P3G15 (almidón 70,38 % pureza)

44

Figura 3.9. Zona del termograma obtenido por DSC de la formulación P3G15 (almidón

63,41 % pureza)

Figura 3.10. Zona del termograma obtenido por MT-DSC de la formulación P3G15

(almidón 63,41 % pureza)

45

3.3.5 PROPIEDADES MECÁNICAS

Mediante el ensayo de tracción-deformación se evaluaron las siguientes

propiedades mecánicas: resistencia a la tracción y porcentaje de elongación a la

rotura.

3.3.5.1 Resistencia a la tracción

Los resultados promedios y las desviaciones estándar de la resistencia a la

tracción de las películas obtenidas con almidón al 70,38% y 63,41% de pureza, se

reportan en las Tablas AI.7 y AI.8 respectivamente.

Se puede observar en la Figura 3.11, que la resistencia a la tracción de las

películas obtenidas con almidón al 63,41% de pureza tiene una tendencia

descendente en comparación a las películas elaboradas con almidón al 70,38%

de pureza.

Figura 3.11. Resistencia a la tracción (MPa) de las películas ensayadas

La resistencia a la tracción de las películas P3G15, P5G15, P1G20, P5G20,

P1G25, P3G25 y P5G25 obtenidas con almidón al 70,38 % de pureza, si bien

46

presentan un valor más alto que el de las películas formadas con almidón al 63,41

% de pureza, este aumento no es significativo estadísticamente (p>0,05).

La película P3G20 elaborada con almidón al 70,38 % de pureza, en cambio, si

presenta un aumento significativo estadísticamente (p<0,05), en los resultados al

compararlo con el espesor de la película P5G15 elaborada con almidón al 70,38

% de pureza.

En la Tabla 3.8, se determinó estadísticamente con el valor de p, que la pureza

del almidón y la resistencia a la tracción muestran una relación directa no

significativa (p>0,05).

Tabla 3.8. Análisis estadístico de la influencia de la pureza del almidón de oca en la resistencia a la tracción de las películas obtenidas

Formulaciones F Probabilidad

P3G15 0,007 0,935

P5G15 1,413 0,300

P1G20 0,680 0,456

P3G20 22,985 0,009

P5G20 1,189 0,337

P1G25 0,208 0,672

P3G25 2,586 0,183

P5G25 2,411 0,195

Estos resultados obtenidos indican que las purezas del almidón obtenido en el

proyecto no influyen en esta propiedad, podemos encontrar valores muy similares

de la resistencia a la tracción independientemente del contenido de pureza del

almidón que se use en la elaboración de las películas en esta investigación.

La Figura 3.12, muestran que cuando la cantidad de PVA aumenta la resistencia a

la tracción también aumenta y que la relación entre el contenido de glicerina en la

película y la resistencia a la tracción se encuentran en una relación inversa. Este

comportamiento por parte de las películas es totalmente esperado ya que la

47

presencia de PVA es para mejorar la resistencia a la tracción de la película,

comparado con películas elaboradas solamente con almidón y glicerina como se

muestra en la Tabla 3.3.

Figura 3.12. Efecto de las variables experimentales sobre la resistencia a la tracción (almidón 70,38 % de pureza)

Este comportamiento fue observado por en la investigación realizada por

Valencia, Rivera y Murillo (2013) en películas obtenidas con almidón de yuca,

donde al incrementar PVA en un 5% la resistencia a la tracción aumentó en 3.6

MPa.

La Figura 3.13, representa el diagrama de Pareto para la resistencia a la tracción

en las películas obtenidas con almidón al 70,83% de pureza.

Figura 3.13. Diagrama de Pareto para efectos estandarizados de las variables experimentales sobre la resistencia a la tracción (almidón 70,38 % de pureza)

0 2 4 6 8 10Efecto estandarizado

AB+bloque

BB+bloque

AA+bloque

B:Glicerina+bloque

A:PVA+bloque+-

1,0

Glicerina

2,5

5,6

7,6

9,6

11,6

13,6

Res

iste

nci

a a

la t

racc

ión

(M

Pa)

PVA

5,0 1,5

48

En este gráfico se puede observar una influencia significativa del PVA y la

glicerina en la resistencia a la tracción de las películas. El bloque correspondiente

al PVA tiene el signo positivo (+), lo que muestra una influencia significativa

positiva sobre esta propiedad, esto implica la relación directa entre el PVA y la

resistencia a la tracción, por lo tanto al aumentar la cantidad de PVA esta

propiedad mecánica analizada también aumenta, además el bloque de la glicerina

tiene el bloque negativo (-), lo que indica una influencia negativa sobre la

propiedad, esto involucra una relación inversa lo que implica que al aumentar la

cantidad de glicerina, la resistencia a la tracción disminuye.

El presente trabajo se enfoca en caracterizar las películas de almidón con

plastificantes de una forma física y mecánica, adicional se estudió una mezcla que

maximice la resistencia a la tracción, con ayuda del programa de diseño

experimental STATGRAPHICS se pudo realizar este proceso.

En la Figura 3.14, se presenta el gráfico de superficie de respuesta estimada,

éste permite determinar la zona resultante en donde se encuentra la máxima

resistencia a la tracción de acuerdo al software, la zona en la que se encuentra

detallado este valor está limitada por 14,4 MPa y 16,2 MPa.

Figura 3.14. Superficie de respuesta estimada de la resistencia a la tracción (almidón 70,38.% de pureza)

En la Tabla 3.9, se realiza la comparación de los máximos resultados de

resistencia a la tracción obtenidos entre la formulación que obtendría el software

01 2 3 4 5

PVA1,5

1,71,9

2,12,3

2,5

Glicerina

0

3

6

9

12

15

18

Re

sis

ten

cia

a la

tra

cc

ión

(M

Pa

) Resistencia a la tracción (MPa)0,0-1,81,8-3,63,6-5,45,4-7,27,2-9,09,0-10,810,8-12,612,6-14,414,4-16,216,2-18,0

49

STATGRAPHICS y la formulación obtenida en la investigación. Los valores de

concentración correspondientes al PVA y a la glicerina son iguales, esta

información muestra que el valor de la resistencia a la tracción obtenido en la

investigación es igual al obtenido con el software.

Tabla 3.9. Comparación de los resultados máximos obtenidos en la investigación y los obtenidos con el software de diseño para las películas con almidón de pureza 70,38 %

Investigación Software

PVA (%) 5 5

Glicerina (%) 1,5 1,5

Resistencia a la tracción (MPa)

14,46 14,58

En el caso de las películas obtenidas con almidón de pureza del 63,41%, los

resultados de resistencia a la tracción alcanzados son similares a los mostrados

con el almidón de 70,38 % de pureza, tal como se observa en la Figura 3.15.

Figura 3.15. Efecto de las variables experimentales sobre la resistencia a la tracción (almidón 63,41 % de pureza)

La Figura 3.16, presenta el diagrama de Pareto para la resistencia a la tracción en

las películas obtenidas con almidón al 63,41 % de pureza, la influencia de la

cantidad de PVA y glicerina en la resistencia a la tracción es similar a los datos

registrados para películas con almidón de 70,38 % de pureza.

1,0

Glicerina

2,5

6

7

8

9

10

11

12

Res

iste

nci

a a

la t

racc

ión

(M

Pa)

PVA

5,0 1,5

50

La Figura 3.17, representa el gráfico de superficie de respuesta estimado

generado por el software STATGRAPHICS correspondiente para la resistencia a

la tracción de las películas producidas con almidón al 63,41 % de pureza. Este

gráfico determino que la zona donde se encuentra la máxima resistencia a la

tracción está limitada entre 12 MPa y 13,5 MPa.

Figura 3.16. Diagrama de Pareto para efectos estandarizados de las variables experimentales sobre la resistencia a la tracción (almidón 63,41 % de pureza).

Figura 3.17. Superficie de respuesta estimada de la resistencia a la tracción (almidón 63,41,% de pureza)

En la Tabla 3.10, se muestra la comparación de los máximos resultados de

resistencia a la tracción obtenidos entre la formulación que obtendría el software

STATGRAPHICS y la formulación obtenida en la investigación. Los resultados son

similares a los que se obtuvieron para las películas de almidón de 70,38 % de

pureza.

0 2 4 6 8 10Efecto estandarizado

AA+bloque

BB+bloque

AB+bloque

B:Glicerina+bloque

A:PVA+bloque+-

01

23

45

PVA1,5

1,71,9

2,12,3

2,5

Glicerina

0

3

6

9

12

15

Resis

ten

cia

a l

a t

racció

n (

MP

a)

Resistencia a la tracción (MPa)0,0-1,51,5-3,03,0-4,54,5-6,06,0-7,57,5-9,09,0-10,510,5-12,012,0-13,513,5-15,0

51

Tabla 3.10. Comparación de los resultados máximos obtenidos en la investigación y los obtenidos con el software de diseño para las películas con almidón de pureza 63,41%

Investigación Software

PVA (%) 5 5

Glicerina (%) 1,5 1,5

Resistencia a la tracción (MPa)

13,11 13,57

3.3.5.2 Elongación a la rotura

Las Tablas AI.9 y AI.10, muestran los resultados promedios y las desviaciones

estándar obtenidos para el porcentaje de elongación a la rotura de las películas

obtenidas con almidón al 70,38 % y 63,41 % de pureza respectivamente.

Se puede observar en la Figura 3.18, que el porcentaje de elongación a la rotura

de las películas obtenidas con almidón al 70,38 % de pureza tiene una tendencia

ascendente en comparación a las películas elaboradas con almidón al 63,41 % de

pureza.

Figura 3.18. Elongación a la rotura (%) de la película de cada mezcla ensayada

52

La elongación a la rotura de las películas P5G15, P1G20, P5G20 y P1G25

obtenidas con almidón al 70,38 % de pureza, si bien presentan un valor más alto

que el de las películas formadas con almidón al 63,41 % de pureza, este aumento

no es significativo estadísticamente (p>0,05).

Las películas P3G15, P3G20, P3G25 y P5G25 elaborada con almidón al 70,38 %

de pureza, en cambio, si presenta un aumento significativo estadísticamente

(p<0,05), en los resultados al compararlo con el espesor de la película P5G15

elaborada con almidón al 70,38 % de pureza.

La pureza del almidón y la resistencia a la tracción muestran una relación

directamente proporcional, como se puede apreciar en la Figura 3.8. Debido a que

los contenidos de pureza no son muy diferentes, podemos encontrar valores muy

similares de esta propiedad independientemente del contenido de pureza del

almidón que se use en la elaboración de las películas en esta investigación.

En la Tabla 3.11, se determinó estadísticamente con el valor de p, que la pureza

del almidón y la elongación a la rotura muestran una relación directa, las películas

elaboradas con 3 % de PVA tienen una dispersión significativa en sus resultados

(p<0,05).

Tabla 3.11. Análisis estadístico de la influencia de la pureza de la oca en la elongación a la rotura de las películas obtenidas

Formulaciones F Probabilidad

P3G15 33,816 0,004

P5G15 2,903 0,164

P1G20 4,632 0,098

P3G20 91,397 0,001

P5G20 3,815 0,122

P1G25 0,478 0,527

P3G25 25,337 0,007

P5G25 23,298 0,008

53

La Figura 3.19, muestra que cuando aumentan la cantidad de PVA y la de

glicerina la elongación a la rotura también aumenta.

La Figura 3.20, representa el diagrama de Pareto para la resistencia a la tracción

en las películas obtenidas con almidón al 70,83 % de pureza, en este gráfico se

puede observar una influencia significativa del PVA y la glicerina en la resistencia

a la tracción de las películas. Los bloques correspondiente al PVA y a la glicerina

tienen el signo positivo (+), lo que muestra una influencia significativa positiva

sobre esta propiedad, esto implica la relación directa entre el PVA, la glicerina y el

porcentaje de elongación a la rotura.

Figura 3.19. Efecto de las variables experimentales sobre la elongación a la rotura (almidón 70,38 % de pureza)

Figura 3.20. Diagrama de Pareto para efectos estandarizados de las variables experimentales sobre la elongación a la rotura (almidón 70,38 % de pureza)

0 2 4 6 8 10 12Efecto estandarizado

AA+bloque

BB+bloque

B:Glicerina+bloque

AB+bloque

A:PVA+bloque+-

60

80

100

120

140

160

180

Elo

ng

ació

n a

la

rotu

ra (

%)

PVA

1,0 5,0

Glicerina

1,5 2,5

54

En la Figura 3.21, se presenta el grafico de superficie de respuesta estimada,

este permite determinar la zona donde se encuentra la máxima elongación a la

rotura estimada por el software, esta zona está limitada entre 216 % y 240 %.

Figura 3.21. Superficie de respuesta estimada de la elongación a la rotura (almidón 70,38,% de pureza)

En la Tabla 3.12, se realiza la comparación de los máximos resultados de la

elongación a la rotura obtenidos entre la formulación que obtendría el software

STATGRAPHICS y la formulación obtenida en la investigación.

Tabla 3.12. Comparación de los resultados máximos obtenidos en la investigación y los obtenidos con el software de diseño para las películas con almidón al 70,38 %

Investigación Software

PVA (%) 5 5

Glicerina (%) 2,5 2,5

Elongación a la rotura (%)

223,67 220,37

Los valores de concentración correspondientes al PVA y a la glicerina son iguales,

esta información muestra que el valor de la resistencia a la tracción obtenido en la

investigación es igual al obtenido con el software.

La Figura 3.22, muestran el aumento en la elongación a la rotura con el aumento

de la cantidad de PVA y glicerina para las películas elaboradas con almidón de

63,41 % de pureza, igual como paso con las películas de almidón del 70,38 % de

pureza.

0 1 2 3 4 5PVA

1,51,7

1,92,1

2,32,5

Glicerina

0

40

80

120

160

200

240

Elo

ng

ac

ión

a la

ro

tura

(%

)

Elongación a la rotura (%)0,0-24,024,0-48,048,0-72,072,0-96,096,0-120,0120,0-144,0144,0-168,0168,0-192,0192,0-216,0216,0-240,0

55

Figura 3.22. Efecto de las variables experimentales sobre la elongación a la rotura (almidón 63,41 % de pureza)

La Figura 3.23, presenta el diagrama de Pareto para el porcentaje de elongación a

la rotura en las películas obtenidas con almidón al 63,41 % de pureza, la

influencia de la cantidad de PVA y glicerina en al porcentaje de elongación a la

rotura es similar a los datos registrados para películas con almidón de 70,38 % de

pureza.

Figura 3.23. Diagrama de Pareto para efectos estandarizados de las variables experimentales sobre la elongación a la rotura (almidón 63,41 % de pureza)

La Figura 3.24, representa el gráfico de superficie de respuesta estimado

generado por el software STATGRAPHICS correspondiente a la elongación a la

rotura de las películas producidas con almidón al 63,41 % de pureza. Este gráfico

determino que la zona donde se encuentra la máxima elongación a la rotura está

limitada entre 156 % y 168 %.

0 2 4 6 8 10Efecto estandarizado

BB+bloque

AB+bloque

AA+bloque

B:Glicerina+bloque

A:PVA+bloque+-

75

95

115

135

155

Elo

ng

ació

n a

la

rotu

ra (

%)

PVA

1,0 5,0

Glicerina

1,5 2,5

56

Figura 3.24. Superficie de respuesta estimada de la elongación a la rotura (almidón 63,41,% de pureza)

En la Tabla 3.13, se realiza la comparación de los máximos resultados de

elongación a la rotura obtenidos entre la formulación que obtendría el software

STATGRAPHICS y la formulación obtenida en la investigación. Los resultados son

similares a los obtenidos para las películas de almidón de 70,38 % de pureza.

Tabla 3.13. Comparación de los resultados máximos obtenidos en la investigación y los obtenidos con el software de diseño para las películas con almidón al 63,41 %

Investigación Software

PVA (%) 5 5

Glicerina (%) 2,5 2,5

Elongación a la rotura (%)

157,11 160,42

3.3.5.3 Combinación de las variables de salida para películas con almidón de

70,38,% de pureza

El programa de diseño experimental STATGRAPHICS, determina la combinación

de los factores experimentales que simultáneamente optimiza varias respuestas.

Lo hace maximizando la función de deseabilidad. La deseabilidad es un

parámetro de optimización que va de 0 a 1, que indica el rango en donde la suma

global de las variables de salida es la más alta.

0 1 2 3 4 5PVA

1,51,7

1,92,1

2,32,5

Glicerina

60

80

100

120

140

160

180E

lon

ga

ció

n a

la r

otu

ra (

%)

Elongación a la rotura (%)60,0-72,072,0-84,084,0-96,096,0-108,0108,0-120,0120,0-132,0132,0-144,0144,0-156,0156,0-168,0168,0-180,0

57

La Figura 3.25, correspondiente a la superficie de respuesta estimada que

muestra la zona donde se encuentra el punto óptimo al combinar las variables de

salida resistencia a la tracción (MPa) y elongación a la rotura (%). Esta zona está

limitada entre los valores de 0,6 y 0,7 correspondientes a la deseabilidad.

Figura 3.25. Superficie de respuesta estimada de la optimización múltiple (almidón 70,38,% de pureza)

En la Figura 3.26, se muestra el punto óptimo de la resistencia a la tracción que

predijo el programa de diseño, es de 11,53 MPa y para la elongación a la rotura

seria de 190,38 %, estos valores se obtendrían al realizar una película con los

valores recomendados por el programa de 5 % de PVA y 2,23 % de glicerina,

estos valores el software los cálculo de acuerdo a la deseabilidad de 0,683.

Figura 3. 26. Sobre posición de las variables de salida en la optimización múltiple (almidón 70,38 % de pureza)

3,6 7,2

10,824,0

48,0

72,0

96,0

120,0

Resistencia a la tracción (MPa)Elongación a la rotura (%)

0 1 2 3 4 5PVA

1,5

1,7

1,9

2,1

2,3

2,5

Glic

eri

na

1,8 5,4 9,0

12,6

14,4144,0

168,0

192,0

216,0

0 1 2 3 4 5

PVA1,51,71,92,12,32,5

Glicerina

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Des

eab

ilid

ad

Deseabilidad0,0-0,10,1-0,20,2-0,30,3-0,40,4-0,50,5-0,60,6-0,70,7-0,80,8-0,90,9-1,0

58

3.3.5.4 Combinación de las variables de salida para películas con almidón de

63,41,% de pureza

La Figura 3.27, correspondiente a la superficie de respuesta estimada que

muestra la zona donde se encuentra el punto óptimo al combinar las variables de

salida resistencia a la tracción (MPa) y elongación a la rotura (%) para las

películas obtenidas con almidón de 63,41 % de pureza . Esta zona está limitada

entre los valores de 0,6 y 0,7 correspondientes a la deseabilidad.

Figura 3.27. Superficie de respuesta estimada de la optimización múltiple (almidón 63,41,% de pureza)

En la Figura 3.28, muestra el punto óptimo de la resistencia a la tracción.

Figura 3.28. Sobre posición de las variables de salida en la optimización múltiple (almidón 63,41 % de pureza

0 1 2 3 4 5

PVA1,5

1,71,9

2,12,3

2,5

Glicerina

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Des

eab

ilid

ad

Deseabilidad0,0-0,10,1-0,20,2-0,30,3-0,40,4-0,50,5-0,60,6-0,70,7-0,80,8-0,90,9-1,0

4,5 7,5

10,5

72,0 84,0 96,0 108,0120,0

Resistencia a la tracción (MPa)Elongación a la rotura (%)

0 1 2 3 4 5PVA

1,5

1,7

1,9

2,1

2,3

2,5

Gli

ceri

na

3,0 6,09,0

12,0

13,5

132,0

144,0

156,0

59

El punto óptimo que predijo el programa de diseño, es de 13,27 MPa y para la

elongación a la rotura seria de 126,57 %, estos valores se obtendrían al realizar

una película con los valores recomendados por el programa de 5 % de PVA y

1,56 % de glicerina, estos valores el software los cálculo de acuerdo a la

deseabilidad de 0,707.

La Tabla 3.14, presenta la comparación de los máximos valores obtenidos de los

ensayos con las películas elaboradas con almidón de oca al 63,41 % y 70,38 %

de pureza.

Tabla 3.14. Resultados de la optimización al máximo valor

Pureza 70,38% 63,41%

PVA (%) 5 5

Glicerina (%) 2,23 1,57

Resistencia a la tracción (MPa)

11,53 13,27

Elongación a la rotura (%)

190,38 126,57

Estos resultados son la combinación de los datos de resistencia a la tracción y

porcentaje de elongación, que el programa realizó, los cuales muestran que los

mejores resultados se generan con el almidón de mayor pureza. Además la

concentración de PVA es la mayor, este resultado es esperado debido a que el

PVA mejora las características mecánicas de las películas elaboradas con

almidón.

60

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1 CONCLUSIONES

El mejor agente de lavado en el proceso de extracción de almidón, es ña solución

de 1500 ppm de bisulfito de sodio, obteniendo almidón de oca de 70,38% de

pureza.

Se obtuvieron películas de almidón de oca, glicerina y PVA, mediante el método

de vaciado con evaporación de solvente (casting), con características

macroscópicas aceptables, apariencia homogénea y alta flexibilidad.

La solubilidad en agua de las películas elaboradas con almidón de oca, varía

inversamente con el contenido del PVA y directamente con la concentración de

glicerina en las formulaciones.

La película elaborada con almidón de oca al 70,38% de pureza, con la formulación

4% (w/w) de almidón, 1,5% (w/w) de glicerina y 5% (w/w) de PVA, obtuvo la

mayor resistencia a la tracción (13,94 MPa) y la menor solubilidad en agua

(14,14%) en relación al resto de películas.

En cuanto a la elongación a la rotura, la película obtenida con almidón de oca al

70,83% de pureza y la formulación 4% (w/w) de almidón, 2,5% (w/w) de glicerina

y 5% (w/w) de PVA, obtuvo el mayor valor (228,33%).

El resultado del diseño experimental factorial 3², muestra que la formulación de

almidón de oca con el 70,83% de pureza (4%, w/w), glicerina (2,23%, w/w) y PVA

(5%, w/w), maximiza los valores de la resistencia a la tensión y la elongación a la

rotura.

La alta variación de algunos resultados de las propiedades estudiadas en esta

investigación, se asocian con las limitaciones en el procesamiento, debido a que

61

las formulaciones fueron replicadas en condiciones ambientales diferentes, siendo

estas diferencias factores que interfieren en la plastificación del almidón y afectan

las propiedades finales del material.

4.2 RECOMENDACIONES

Analizar el efecto del número de lavados del almidón con bisulfito de sodio, para

obtener mayor pureza y evaluar la influencia de esta propiedad con las

propiedades físicas y mecánicas de las películas obtenidas.

Realizar una caracterización profunda del almidón obtenido, para evaluar si otros

componentes como los lípidos y proteínas, influyen en el proceso de obtención de

las películas.

Realizar un estudio posterior, en el cual se evalúen las propiedades mecánicas de

las películas en función del tiempo de almacenamiento con el objetivo de evaluar

el tiempo de uso de las películas.

Ejecutar un método de obtención de películas de almidón de oca que no presente

fallos microscópicos y macroscópicos para la fácil determinación de las

propiedades mecánicas y térmicas de las películas.

Extender la caracterización de las películas de almidón de oca, a la permeabilidad

con gases (CO2 y O2), para analizar la viabilidad de la aplicación del material en

envases para alimentos y medicamentos.

Investigar un mecanismo para eliminar las burbujas en el proceso de mezclado en

la obtención de películas de almidón de oca, con el objetivo de evitar

irregularidades en el espesor de la película y de esta manera eliminar las fallas en

los ensayos de tracción-deformación.

62

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72

ANEXOS

73

ANEXO I

CARACTERIZACIÓN FÍSICA Y MECÁNICA DE LAS PELÍCULAS

OBTENIDAS CON ALMIDÓN DE OCA

Tabla AI.1. Espesores de las películas obtenidas con almidón 70,38 % de pureza

Formulación Espesor (mm)

Ensayo Réplica 1 Réplica 2 Media

P3G15 0,288 0,262 0,266 0,272 (s=0,014)

P5G15 0,299 0,308 0,303 0,303 (s=0,005)

P1G20 0,222 0,202 0,214 0,213 (s=0,010)

P3G20 0,305 0,274 0,274 0,284 (s=0,018)

P5G20 0,314 0,303 0,375 0,321 (s=0,022)

P1G25 0,254 0,233 0,241 0,242 (s=0,011)

P3G25 0,294 0,323 0,309 0,309 (s=0,015)

P5G25 0,344 0,362 0,365 0,357 (s=0,012)

Tabla AI.2. Espesores de las películas obtenidas con almidón 63,41 % de pureza

Formulación Espesor (mm)

Ensayo Réplica 1 Réplica 2 Media

P3G15 0,285 0,269 0,267 0,274 (s=0,01)

P5G15 0,332 0,398 0,362 0,364 (s=0,033)

P1G20 0,228 0,226 0,226 0,226 (s=0,001)

P3G20 0,319 0,291 0,298 0,303 (s=0,0144)

P5G20 0,365 0,361 0,367 0,364 (s=0,003)

P1G25 0,241 0,261 0,238 0,247 (s=0,013)

P3G25 0,330 0,320 0,333 0,327 (s=0,007)

P5G25 0,370 0,417 0,402 0,396 (s=0,024)

74

Tabla AI.3. Porcentaje de humedad de las películas obtenidas con almidón 70,38 % de

pureza

Formulación Humedad (%)

Ensayo Réplica 1 Réplica 2 Media

P3G15 5,51 6,57 5,86 5,98 (s=0,54)

P5G15 4,59 4,04 4,11 4,15 (s=0,13)

P1G20 7,48 9,03 8,08 8,20 (s=0,78)

P3G20 6,72 7,52 8,18 7,47 (s=0,73)

P5G20 4,92 6,09 5,92 5,64 (s=0,63)

P1G25 9,84 12,06 11,5 11,13 (s=1,15)

P3G25 7,59 8,12 9,06 8,26 (s=0,74)

P5G25 6,61 7,31 8,03 7,32 (s=0,71)

Tabla AI.4. Porcentaje de humedad de las películas obtenidas con almidón 63,41 % de

pureza

Formulación Humedad (%)

Ensayo Réplica 1 Réplica 2 Media

P3G15 8,25 7,90 7,08 7,74 (s=0,60)

P5G15 5,69 5,65 5,39 5,58 (s=0,16)

P1G20 12,82 12,85 10,73 12,13 (s=1,22)

P3G20 9,86 10,47 9,17 9,83 (s=0,65)

P5G20 7,56 7,54 6,94 7,35 (s=0,35)

P1G25 15,65 17,67 14,40 15,91 (s=1,65)

P3G25 11,71 13,33 10,57 11,87 (s=1,39)

P5G25 9,57 9,35 7,74 8,89 (s=1,00)

75

Tabla AI.5. Solubilidad en agua de las películas obtenidas con almidón 70,38 % de pureza

Formulación Solubilidad (%)

Ensayo Réplica 1 Réplica 2 Media

P3G15 19,30 18,44 21,28 19,67 (s=1,46)

P5G15 14,30 13,99 14,12 14,14 (s=0,16)

P1G20 27,21 27,02 26,63 26,95 (s=0,30)

P3G20 23,20 22,92 23,27 23,13 (s=0,19)

P5G20 21,16 20,91 21,67 21,25 (s=0,39)

P1G25 32,43 32,64 33,33 32,80 (s=0,47)

P3G25 32.58 27,88 28,39 29,62 (s=2,58)

P5G25 22,60 23,65 24,64 23,63 (s=1,02)

Tabla AI.6. Solubilidad en agua de las películas obtenidas con almidón 63,41 % de pureza

Formulación Solubilidad (%)

Ensayo Réplica 1 Réplica 2 Media

P3G15 17,53 16,96 18,40 17,63 (s=0,73)

P5G15 14,52 13,05 15,91 14,49 (s=1,43)

P1G20 23,45 29,83 27,91 27,06 (s=3,27)

P3G20 20,91 25,13 21,54 22,53 (s=2,28)

P5G20 18,95 18,44 17,75 18,38 (s=0,60)

P1G25 34,10 43,71 34,86 37,56 (s=5,34)

P3G25 22,33 22,57 27,04 23,98 (s=2,65)

P5G25 20,97 20,46 20,22 20,55 (s=0,38)

76

Tabla AI.7. Resultados de la resistencia a la tracción de las películas obtenidas con

almidón 70,38 % de pureza

Formulación Resistencia a la tracción (MPa)

Ensayo Réplica 1 Réplica 2 Media

P3G15 10,15 12,67 12,15 11,66 (s=1,33)

P5G15 16,30 14,00 13,07 14,46 (s=0,25)

P1G20 5,25 5,12 6,20 5,52 (s=0,59)

P3G20 11,41 10,87 10,15 10,81 (s=0,63)

P5G20 11,52 12,87 13,07 12,49 (s=0,84)

P1G25 4,34 3,60 4,54 4,16 (s=0,49)

P3G25 5,54 7,11 7,63 6,76 (s=1,09)

P5G25 9,62 11,85 9,16 10,21 (s=1,44)

Tabla AI.8. Resultados de la resistencia a la tracción de las películas obtenidas con

almidón 63,41 % de pureza

Formulación Resistencia a la tracción (MPa)

Ensayo Réplica 1 Réplica 2 Media

P3G15 9,65 11,68 13,30 11,54 (s=1,83)

P5G15 13,46 11,93 13,93 13,11 (s=1,05)

P1G20 4,48 5,40 5,52 5,13 (s=0,57)

P3G20 9,08 8,31 8,85 8,74 (s=0,40)

P5G20 10,52 11,35 12,85 11,57 (s=1,18)

P1G25 4,16 3,65 4,21 4,01 (s=0,31)

P3G25 5,29 6,10 5,65 5,68 (s=0,41)

P5G25 9,18 8,41 9,02 8,87 (s=0,40)

77

Tabla AI.9. Resultados de la elongación a la rotura de las películas obtenidas con almidón

70,38 % de pureza

Formulación Elongación a la rotura (%)

Ensayo Réplica 1 Réplica 2 Promedio

P3G15 128 128,33 150 135,44 (s=12,61)

P5G15 126 148,33 163,33 145,89 (s=18,78)

P1G20 90,4 71,5 67,67 76,52 (s=12,17)

P3G20 139,8 141,67 133,33 138,27 (s=4,38)

P5G20 190 168,33 153,33 170,55 (s=18,44)

P1G25 73 79,17 90,33 80,83 (s=8,78)

P3G25 160 140 145 148,33 (s=10,41)

P5G25 206 230 235 223,67 (s=15,50)

Tabla AI.10. Resultados de la elongación a la rotura de las películas obtenidas con

almidón 63,41 % de pureza

Formulación Elongación a la rotura (%)

Ensayo Réplica 1 Réplica 2 Promedio

P3G15 84,8 92,17 93,67 90,21 (s=4,75)

P5G15 126 135 106,67 122,56 (s=14,48)

P1G20 56,4 64,83 60,33 60,52 (s=4,22)

P3G20 99 84,5 89,67 91,06 (s=7,35)

P5G20 144 158,33 136,67 146,33 (s=11,02)

P1G25 86,6 68 72,17 75,59(s=9,76)

P3G25 111,8 113,33 120,5 115,21 (s=4,64)

P5G25 178 148,33 145 157,11 (s=18,17)

78

ANEXO II

DATOS INGRESADOS EN EL SOFTWARE STATGRAPHICS

CENTURION

Figura AII.1. Ventana de selección de diseño

Figura AI. 1. Ventana de selección de diseño

Figura AII.2. Ventana para la selección de los límites máximos y mínimos de los plastificantes

79

Figura AII.3. Ventana de los datos generados por el programa para las formulaciones

Tabla AII.1. Tabla ANOVA de los resultados de influencia de los factores sobre la resistencia a la tensión para películas obtenidas con almidón de 70,38 % pureza

Fuente Suma de

cuadrados GL

Cuadrado medio

Razón-F Valor-P

A: PVA 122,661 1 122,661 86,83 0,0000

B: Glicerina 37,521 1 37,521 26,56 0,0001

Error Total 22,302 16 1,413

Total (corr.) 309,888 23

Tabla AII.2. Tabla ANOVA de los resultados de influencia de los factores sobre la elongación a la rotura para películas obtenidas con almidón de 70, 38 % pureza

Fuente Suma de

cuadrados GL

Cuadrado medio

Razón-F Valor-P

A: PVA 26401,0 1 26401,0 126,87 0,0000

B: Glicerina 1531,03 1 1531,03 7,36 0,0154

Interacción: AB 2840,39 1 2840,39 13,65 0,0020

Error Total 3329,42 16 208,09

Total (corr.) 58069,5 23

80

Tabla AII.3. Tabla ANOVA de los resultados de influencia de los factores sobre la resistencia a la tensión para películas obtenidas con almidón 63,41 % pureza

Fuente Suma de

cuadrados GL

Cuadrado medio

Razón-F Valor-P

A: PVA 63,4368 1 63,4368 75,92 0,0000

B: Glicerina 56,5679 1 56,5679 67,34 0,0000

Error Total 13,3695 16 0,8356

Total (corr.) 240,605 23

Tabla AII.4. Tabla ANOVA de los resultados de influencia de los factores sobre la elongación a la rotura para películas obtenidas con almidón 63,41 % pureza

Fuente Suma de

cuadrados GL

Cuadrado medio

Razón-F Valor-P

A: PVA 10385,8 1 10385,8 78,54 0,0000

B: Glicerina 1250,32 1 1250,32 9,54 0,0073

Error Total 2115,83 16 132,239

Total (corr.) 21306,7 23

81

ANEXO III PROPIEDADES MECÁNICAS OBTENIDAS POR ENSAYO DE

TRACCIÓN-DEFORMACIÓN

Figura AIII.1. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P3G15 con almidón de oca 70,38 % de pureza

82

Figura AIII.2. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P3G15 con almidón de oca

63,41 % de pureza

83

Figura AIII.3. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P5G15 con almidón de oca 70,38 % de pureza

84

Figura AIII.4. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P5G15 con almidón de oca 63,41 % de pureza

85

P1G20 63

Figura AIII.5. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P1G20 con almidón de oca 70,38 % de pureza

86

Figura AIII.6. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P1G20 con almidón de oca 63,41 % de pureza

87

Figura AIII.7. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P3G20 con almidón de oca 70,38 % de pureza

88

Figura AIII.8. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P3G20 con almidón de oca 63,41 % de pureza

89

Figura AIII.9. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P5G20 con almidón de oca 70,38 % de pureza

90

Figura AIII.10. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P5G20 con almidón de oca 63,41 % de pureza

91

Figura AIII.11. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P1G25 con almidón de oca 70,38 % de pureza

92

Figura AIII.12. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P1G25 con almidón de oca 63,41 % de pureza

93

Figura AIII.13. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P3G25 con almidón de oca 70,38 % de pureza

94

Figura AIII.14. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P3G25 con almidón de oca 63,41 % de pureza

95

Figura AIII.15. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P5G25 con almidón de oca 70,38 % de pureza

96

Figura AIII.16. Curva esfuerzo-deformación de la muestra P5G25 con almidón de oca 63,41 % de pureza

97

ANEXO IV RESULTADOS OBTENIDOS DE LA PUREZA DEL ALMIDÓN DE

OCA

Figura AIV.1. Análisis del almidón de pureza 63,41 %

98

Figura AIV.2. Análisis del almidón de pureza 70,38 %