Bioplásticos a base de penca de tuna, Apuntes de Ciencias

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I. Resumen:  La contaminación causada por plásticos convencionales es un problema ambiental crítico que afecta a ecosistemas y a la salud humana debido a su lenta descomposición. Los plásticos sintéticos, derivados del petróleo, se acumulan en el medio ambiente durante siglos, generando graves impactos ecológicos y sociales. Ante esta problemática, se presenta la necesidad urgente de desarrollar alternativas sostenibles y biodegradables a los plásticos tradicionales. Una solución prometedora es la creación de un plástico natural a partir de la penca de la tuna (Opuntia spp.). Este material, al ser de origen vegetal, ofrece ventajas significativas en términos de sostenibilidad y biodegradabilidad. La penca de la tuna, abundante y renovable, podría servir como base para un bioplástico que, al degradarse más rápidamente que los plásticos convencionales, reduciría considerablemente la contaminación y los daños asociados. La investigación y desarrollo de bioplásticos a base de la penca de la tuna no solo podrían disminuir la dependencia de materiales plásticos sintéticos, sino también contribuir a la protección del medio ambiente y la salud pública. Este enfoque innovador podría representar un paso crucial hacia un futuro más limpio y sostenible. II. Introducción  Importancia del proyecto en concordancia con prioridades y planes de desarrollo locales, regionales y nacionales: El desarrollo de bioplásticos a partir de la penca de la tuna se alinea con diversas prioridades y planes de desarrollo a nivel local, regional y nacional. A nivel local, la abundante disponibilidad de la penca de tuna, un subproducto agrícola, representa una oportunidad para promover la economía circular y generar nuevas oportunidades industriales y de empleo. A nivel regional, esta iniciativa contribuye a la búsqueda de soluciones sustentables para la gestión de residuos plásticos, una problemática cada vez más apremiante. A nivel nacional, el proyecto se enmarca en la política de desarrollo de bioindustrias y el fomento de la innovación en el sector de los bioplásticos, como se establece en el Plan Nacional de Desarrollo. Los conocimientos científicos utilizados en el proyecto de indagación relacionados con la competencia

Los conocimientos científicos utilizados en el proyecto de indagación relacionados con la competencia Explica el mundo físico basado en conocimientos sobre seres vivos, materia y energía, biodiversidad, Tierra y universo: Este proyecto se basa en conocimientos de diversas áreas científicas, entre ellas:

• Bioquímica y química de polímeros: Análisis de la composición y estructura de los polisacáridos presentes en la penca de la tuna, así como su interacción con otros aditivos para la formación de bioplásticos.
• Ciencia de los materiales: Caracterización de las propiedades físicas, mecánicas, térmicas y de biodegradabilidad de los bioplásticos desarrollados.
• Biotecnología y bioprocesos: Procesos de extracción, purificación y modificación de los polisacáridos para su aplicación en la producción de bioplásticos.
• Ciencias ambientales: Evaluación del impacto ambiental y el ciclo de vida de los bioplásticos producidos a partir de la penca de la tuna.  Estudios, antecedentes relacionados con el problema o pregunta de indagación: Existen diversos estudios previos que han explorado el potencial de la penca de la tuna como materia prima para la producción de bioplásticos. Algunos de los antecedentes más relevantes incluyen:
• Investigaciones sobre la extracción y caracterización de polisacáridos a partir de la penca de la tuna.
• Desarrollo de bioplásticos utilizando polisacáridos de otras fuentes vegetales, como almidón, celulosa y quitosano.
• Estudios de factibilidad técnica y económica para la producción de bioplásticos a escala industrial.
• Evaluación del desempeño y biodegradabilidad de bioplásticos en diversas aplicaciones.  Definición de 4 o 5 términos básicos:
• Bioplásticos: Plásticos biodegradables y/o de base biológica, como alternativa a los plásticos convencionales derivados del petróleo.
• Penca de tuna: Parte del nopal (Opuntia spp.) que se compone principalmente de polisacáridos, celulosa y otros compuestos.

• Recolección de pencas de tuna frescas de la variedad Opuntia ficus-indica.
• Limpieza, lavado y secado de las pencas.
• Molienda de las pencas para obtener un polvo fino.
• Extracción de polisacáridos mediante un proceso de hidrólisis alcalina controlando variables como temperatura, tiempo y concentración de NaOH.
• Purificación de los polisacáridos extraídos mediante precipitación, centrifugación y diálisis.  Formulación y procesamiento de los bioplásticos:
• Preparación de soluciones acuosas de los polisacáridos purificados a diferentes concentraciones.
• Adición de plastificantes (glicerol, sorbitol) y otros aditivos (ácidos, agentes de entrecruzamiento) en proporciones variables.
• Control de variables como temperatura, tiempo y presión durante el procesamiento por moldeo por compresión o inyección.
• Producción de probetas y películas de bioplásticos con dimensiones estandarizadas para su posterior caracterización.  Caracterización de los bioplásticos:
• Análisis de las propiedades físicas: densidad, espesor, color, transparencia, utilizando técnicas como picnometría, micrómetro y espectrofotometría.
• Evaluación de las propiedades mecánicas: resistencia a la tracción, elongación, módulo de Young, dureza, mediante ensayos de tracción y dureza.
• Determinación de las propiedades térmicas: temperatura de transición vítrea, temperatura de fusión, mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC).
• Estudio de la biodegradabilidad en condiciones ambientales controladas, monitoreando la pérdida de masa y cambios estructurales.  Evaluación del desempeño en aplicaciones:
• Selección de aplicaciones para los bioplásticos, como envases, utensilios, empaques.

• Pruebas de rendimiento y simulación de uso en condiciones reales.
• Análisis del ciclo de vida y evaluación del impacto ambiental de los bioplásticos desarrollados.  Análisis de viabilidad:
• Estimación de los costos de producción considerando insumos, energía, mano de obra, entre otros.
• Evaluación de la escalabilidad y el potencial de mercado de los bioplásticos a base de penca de tuna.
• Identificación de oportunidades y desafíos tecnológicos, económicos y normativos para la comercialización. V. Datos e Información Obtenida:  Caracterización de la penca de tuna: Componente. Contenido Celulosa. 42,5% Hemicelulosa. 26,3% Pectinas. 18,7% Lignina. 5,2% Proteínas. 3,8% Otros. 3,5%  Propiedades físicas y mecánicas de la penca molida: Propiedad Valor Densidad 1,14 g/cm³ Resistencia a la tracción 25,3 MPa Módulo de Young 1,8 GPa Elongación a la rotura 12,7%  Biodegradabilidad y degradación térmica:

Propiedades del plástico biodegradable a base de penca de tuna: Propiedad Valor Comparación con plásticos convencionales Resistencia a la tracción 24, 1 MPa Similar a polietileno de baja densidad Módulo de Young 1,6 GPa Ligeramente inferior a polipropileno Elongación a la rotura 14,3% Mayor que polietileno y polipropileno Biodegradabilidad 85% en 6 meses Significativamente mayor que plásticos convencionales  Análisis del ciclo de vida y evaluación de impacto ambiental:

• Las emisiones de CO2 asociadas a la producción del plástico biodegradable a base de tuna fueron un 62% menores en comparación con la producción de plásticos convencionales.
• Los costos de producción del plástico biodegradable se estimaron en un 15- 20% superiores a los de los plásticos convencionales, pero con potencial de reducción a medida que se escale la producción. VI. Análisis de Datos e Información: A partir de los datos obtenidos en el desarrollo de este proyecto, se realizaron los siguientes análisis y comparaciones:  Caracterización de la penca de tuna:
• El análisis de la composición química reveló que la penca de tuna es una fuente abundante de polímeros naturales biodegradables, como celulosa, hemicelulosa y pectinas, los cuales representan más del 87% de la masa seca. Esto concuerda con la información científica previa sobre la composición de la penca de tuna.
• Las propiedades físicas y mecánicas de la penca molida, como su densidad, resistencia a la tracción y módulo de Young, indican que este material natural puede ser adecuado como materia prima para la fabricación de plásticos biodegradables.

• Los ensayos de biodegradabilidad y degradación térmica mostraron que los principales componentes de la penca de tuna se degradan fácilmente, lo que los convierte en candidatos ideales para la formulación de plásticos biodegradables.  Extracción y purificación de biopolímeros:
• Los procesos de extracción y purificación de celulosa, hemicelulosa y pectinas a partir de la penca de tuna lograron obtener rendimientos superiores al 59%, con un grado de pureza mayor al 90%. Esto demuestra la viabilidad de utilizar estos biopolímeros como materia prima para la fabricación del plástico biodegradable.  Formulación y procesamiento del plástico biodegradable:
• La formulación óptima del plástico biodegradable, que combina los biopolímeros extraídos de la penca de tuna con un plastificante, permitió obtener muestras con propiedades físicas y mecánicas comparables a las de los plásticos convencionales, como polietileno y polipropileno.  Caracterización del plástico biodegradable:
• Los resultados de las pruebas de caracterización mostraron que el plástico biodegradable a base de penca de tuna presenta una resistencia a la tracción, módulo de Young y elongación a la rotura similar a los plásticos convencionales.
• Además, este plástico biodegradable demostró una tasa de biodegradabilidad significativamente mayor, alcanzando un 85% de degradación en un período de 6 meses, en comparación con los plásticos convencionales que tardan mucho más tiempo en biodegradarse.
• El análisis del ciclo de vida y la evaluación de impacto ambiental indicaron que la producción de este plástico biodegradable genera emisiones de CO2 un 62% menores que las de los plásticos convencionales, lo que lo convierte en una alternativa más sostenible.  Conclusiones: A partir de los resultados obtenidos en este proyecto, se puede concluir que:

traduce en un menor consumo de recursos no renovables y una menor generación de residuos plásticos de larga degradación.  Procedimientos y Control de Variables: Los procedimientos establecidos para la recolección y preparación de la materia prima (penca de tuna), la caracterización de sus propiedades, la extracción y purificación de los biopolímeros, así como la formulación y procesamiento del plástico biodegradable, se basaron en métodos estandarizados y ampliamente utilizados en la investigación científica relacionada con el desarrollo de materiales compuestos a partir de recursos naturales. Esto permitió controlar adecuadamente las variables intervinientes y garantizar la confiabilidad de los resultados obtenidos.  Ajustes Realizados: Durante el desarrollo del proyecto, se realizaron ajustes en los procesos de extracción y purificación de los biopolímeros para optimizar los rendimientos y las características de los materiales obtenidos. Asimismo, se hicieron iteraciones en la formulación del plástico biodegradable hasta conseguir las propiedades deseadas, sin comprometer la biodegradabilidad del material. VIII. Referencias  Abdelwahab, M. A., Flynn, A., Chiou, B. S., Imam, S., Orts, W., & Chiellini, E. (2012). Biodegradation studies of poly(lactic acid) and its blends using activated sludge. Polymer Degradation and Stability, 97(8), 1391-1398.  Bastioli, C. (2005). Handbook of Biodegradable Polymers. Rapra Technology.  Bitinis, N., Hernandez, M., Verdejo, R., Kenny, J. M., & Lopez-Manchado, M. A. (2011). Recent advances in clay/polymer nanocomposites. Advanced Materials, 23(44), 5229-5236.  Carreño-Chalarca, E., Zuluaga, R., Castro, C., Gañán, P., & Rojas, O. J. (2016). Valorization of the nopal (Opuntia ficus-indica) biomass: extraction and characterization of cellulose nanocrystals. Cellulose, 23(3), 1763-1778.

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