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 ([email protected])
DIRECTOR: ING. OMAR BONILLA
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
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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 %