Reto 2

Fabricación del bioplástico de ácido poliláctico (PLA) a partir de los residuos de bagazo de Agave salmiana.

 

 

 

ANTECEDENTES

 

Como se mencionó anteriormente, las especies de Agave son parte de los paisajes de regiones áridas y semiáridas del mundo, y éste es una de las principales plantas en desarrollo por su uso en la producción de bebidas y alimentos (Garcia, Romero, & Nobel., 2011). En la ubicación de General Cepeda, de Saltillo Coahuila, se reconocen cerca de 35 especies de Agave, en las que, nosotros utilizaremos el contenido biológico del residuo de bagazo de A. salmiana para generar un producto de alto valor como lo es el ácido poliláctico y con esto contribuir a disminuir la cantidad dispensada de desechos provenientes de la empresa AGMEL S.A. de C.V..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

No obstante, es de suma importancia recalcar que la fabricación de estos bioplásticos sigue utilizando materias primas que podrían ser redirigidas para uso agrario en el sector alimentario, lo cual coloca a dicho proceso como un bioplástico de “primera generación”, es por ello que se ofrece una alternativa al uso de esta materia prima por la implementación de residuos como fuente primaria de recursos como lo es el bagazo, el cual se define como: “residuo fibroso resultante de la trituración, presión o maceración de frutos, semillas, tallos.”

 

Para este segundo proyecto, se realizó un estimado teórico de la cantidad de residuos generados por esta misma empresa puesto que el socio-formador Albino Vargas, comentó que no se cuantifica el nivel desechado, por lo que se utilizó la producción estimada de agua miel al mes como base de cálculo que él mismo proporcionó siendo esta igual a  9,400 L, lo que genera como subproducto de entre 15 a 20 kg de bagazo en base húmeda por cada litro de aguamiel, equivalente a 141 toneladas de residuos anuales.   

 

Dentro del marco teórico de nuestro proyecto, se calculó el satisfacer el 2% de la demanda de PLA del mercado proporcionado por NKWood Research en el cual, se prevé un aumento en la demanda de PLA en México para el sector automotriz por el crecimiento en su producción y comercialización. Por ende, dado a estas factibilidades del mercado y en relación al bagazo obtenido de AGMEL S.A. de C.V., se decidió “teóricamente” hacer una proyección con volumen final redondeado a 3,000L/mes de bagazo pretratado.

 

 

ACTORES IMPLICADOS

 

Como se menciona en cualquier avance tecnocientífico, y con mayor incidencia en sociedades rurales, se debe de tener en cuenta la red de actores involucrada al igual que los roles político/sociales de la comunidad respecto a sus costumbres, y abstracción e aceptación del conocimiento científico para asegurar en primera instancia una acción que corresponda la principio de responsabilidad por los actores científicos con respecto a la ecología, involucrando la flora y la fauna, la sociedad y sus costumbres y cómo éstos dos factores podrían tener efectos al futuro al involucrar y realizar este proyecto.

 

Gobierno.

 

Como creadores de un producto de alto valor que involucra materias primas, el gobierno, como autoridad reguladora, debe de ejercer por medio de distintos órganos un control moderado de nuestro proceso de polimerización y fabricación del producto final de acuerdo a las NOM y NMX. En el  apartado de plásticos delimitado por las siglas  NMX-E no se encontró ningún contenido para el área de bioplásticos, mientras que para las NOM se encontró PROY-NMX-E-273-CNCP-2016, en la que explican los requerimientos de los productos plásticos para ser catalogados como compostables.

 

Sistema Tec 21.

 

El cual engloba a los doctores, alumnos y el desarrollo de su ética, moral y valores con respecto al uso de residuos de una empresa para la elaboración de un producto de alto valor y con demanda en el mercado, encasillándolos como a) la financiación privada de la investigación; la intervención del ITESM, b) redes de investigación; siendo los alumnos y profesores los coordinadores de información obtenida de experiencia, colaboración tecnológica y bases de datos y c) la convergencia entre la ciencia y tecnología creada a partir del pensamiento y conocimiento científico y su transformación a una metodología replicable en un producto como el PLA obtenido del desecho de la materia prima regional: el bagazo.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AGMEL.

 

Esta empresa actúa como el proveedor de la materia prima, el cual también representa una parte importante de la red de investigación mencionada en la teoría del actor red de Echeverría, puesto que, se trabaja coordinadamente entre este órgano y el sistema ITESM para la búsqueda de la transformación del entorno por medio de la tecnociencia, en la cual se intenta reducir el nivel de residuo y transformarlo a un producto alternativo al plástico.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Comunidad “El Porvenir”.

 

Este actor tiene un papel diferente que en el reto 1, pero sigue teniendo un gran peso en este segundo reto puesto que con la flora de su comunidad (A. Salmiana), que se construye un bioplástico, que para su desarrollo llevamos acabo una inspección cuidadosa del impacto de la tecnociencia en zonas rurales y su estructura político/social. Por lo que en este preámbulo, la sociedad de “El Porvenir” cuenta con los ejes de derecho, valores e informática que menciona Echeverría en su texto respecto a los actores-red involucrados en el desarrollo progresivo de la tecnociencia puesto que, se debe de llevar un proceso regulado políticamente al utilizar o intervenir en la disposición de una materia prima, y el respeto y responsabilidad con los posibles efectos futuros dentro y fuera de la comunidad al igual que para el medio ambiente que pueda tener el producto. Por último el informe abierto de las acciones del actor principal (en este caso nosotros, los desarrolladores tecnocientíficos) y su intervención con el medio político, social y ambiental.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Actores biológicos.

 

La cantidad de bagazo desechada por mes, es el actor principal de este proceso, puesto que, a través de un porcentaje moderado de su dispensa total podemos convertir el residuo en un producto de utilidad que generará menor cantidad contaminante que el plástico normal, y éste se desarrolla a partir de los preceptos como la tecnociencia y transformación del entorno mencionada por Echeverría.

 

 

 

ALTERNATIVAS TÉCNICAS MANEJADAS

 

Inicialmente se contaba con este diseño de experimentos en el que explica a groso modo el proceso unitario de la fabricación de ácido poliláctico. Se consideraron 3 alternativas para la polimerización y fueron elegidas de acuerdo a 4 criterios principalmente: rapidez de polimerización, grado de pureza, cantidad de catalizadores y factibilidad técnica debido a reactivos y producción escalada.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Se enlistaron los factores variables de la polimerización de una manera detallada para tener mayor control de calidad en el proceso y asegurar una cantidad mínima de residuos provenientes de los solventes del proceso.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Posteriormente se redactó este diagrama técnico final en el que se enuncian por medio de figuras los 7 procesos unitarios para la obtención de PLA a un grado de pureza de 80%.

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

De izquierda a derecha: Molienda, fermentación, separación, polimerización, purificación, enfriamiento y secado.

Finalmente, se decidió utilizar el método de polimerización por manera enzimática puesto que era el que mejor daba una viscosidad necesaria del ácido poliláctico y la cantidad de reactivos nocivos para el medio ambiente era mínima y sus residuos eran más fácil de tratar.

 

DESCRIPCIÓN DE SOLUCIÓN TÉCNICA

 

MOLIENDA

A nivel laboratorio se licuan 200g de bagazo en un recipiente con 1L de agua. Después de esto se vacían en un matraz y se extrae el volumen necesario para ajustar la cantidad de sólidos (°Bx) a 5.9, de nos ser así se utiliza la parrilla eléctrica para evaporar el agua durante 20 minutos a 90°C y medir después los °Bx con 1mL de la solución.

 

FERMENTACIÓN

Agregar 10mL de la bacteria L. Rhamnosus previamente activada al recipiente que tiene el bagazo a una cantidad de sólidos de 5.9°Bx. Sellar y meter a la incubadora  a 37°C durante 7 días  (Montipó et al, 2016).

 

 

 

SEPARACIÓN Y FILTRACIÓN

Centrifugar el contenido del recipiente en la centrífuga y mezclarlo en una relación 1:1 con acetato de etilo logrando un volumen final de 40mL (Núñez et al, 2009). Después de esto, la mezcla se separa en 3 fases.

Decantar el contenido por medio del soporte universal y el embudo de separación la segunda fase (la más turbia de las tres). Filtrar el volumen decantado con papel filtro de marca Whatman.

 

POLIMERIZACIÓN

De acuerdo con el volumen final del filtrado se agrega la enzima lipasa a un 5% del peso (Chuensangjun et al, 2012). Se coloca en el equipo EZ-2 Genevac Centrifuge a 55°C y 958 mbar por 1 hora en intervalos de 20minutos, según las recomendaciones de la Dra. Janet Gutiérrez. Después de esto las partículas de la enzima se remueven por filtración.

 

PURIFICACIÓN 

Tolueno en relación 1:1 del volumen final de la polimerización, llevar a 70°C-80°C para evaporar las micelas formadas en la campana de extracción (Zhen & Zheng., 2015). Una vez a temperatura ambiente, filtrar con papel Whatman.

 

ENFRIAR

Enfriar en el refrigerador a 5°C durante 5 horas (Zhen & Zheng., 2015).

 

SECADO

Dejar por 24 horas en un horno de secado a 40°C (Zhen & Zheng., 2015).

 

Evaluación de la polimerización.

Titulación

 

Se determinó de manera indirecta la concentración de ácido láctico libre en g/L después de la fermentación y al terminar la polimerización a través de una titulación con NaOH 0.1 N y realizando el procedimiento para determinación de ácido láctico en alimentos de acuerdo a  la norma mexicana NMX-F-420-1982.

Se midieron 10 mL de muestra y se colocaron en un matraz Erlenmeyer con 20 mL de agua destilada y 0.5 mL de una solución de fenolftaleína al 1%. La solución se tituló con hidróxido de sodio 0.1 N hasta la aparición de un color rosado ligero. Para la verificación del volumen gastado en la reacción de neutralización se utilizó un tubo control con el aspecto rosado visual requerido y se midieron con tiras de papel pH para asegurarse de que el volumen agregado del hidróxido de sodio fuese el correcto.

La acidez en la muestra expresada como ácido láctico se calculó con la siguiente fórmula:

Acidez g/L (ácido láctico) = (V x N x 90) / M

En donde:

V = Volumen de solución de hidróxido de sodio 0.1 N gastado en la titulación de la

muestra, en ml.

N = Normalidad de la solución de hidróxido de sodio.

M = Volumen de la muestra, en ml.

90 = Equivalente del ácido láctico.

 

Viscosidad aparente

Con la ayuda del Dr. Videa, Licenciado en Ciencias Químicas y decano del Tecnológico de Monterrey, entendimos el fundamento quimico de la polimerización del ácido láctico que debe de ser casi rígida si se llega a un 100% con la ayuda de un sistema de secado, por lo tanto, si no presenta una pureza completa, su viscosidad (resistencia a fluir), será menor y se puede determinar por medio de viscosímetros (los cuales no había en nuestras instalaciones) o a simple vista causada por la fricción presentada al deslizar el ácido poliláctico en los matraces.

 

 

 

 

 

CONSIDERACIONES Y JUSTIFICACIÓN

 

 

Nuestro proceso debido a las especificaciones técnicas requiere constantemente de equipo mayor, por lo que la mayoría de sus procedimientos no podrían hacerse en el ejido o en una comunidad en la que la corriente eléctrica sea un problema, por lo que, las únicas actividades que pueden realizarse en todo caso son la molienda y fermentación si se cuenta con un clima templado o cálido. Además, de que la finalidad de este proyecto es la creación de un producto de alto valor con las plantas del desierto.

 

Éticas.

Como individuos dentro de una sociedad tenemos la responsabilidad de prever posibles acciones que atenten con el desarrollo social, ecológico y político del entorno, no sólo en este sino, en cualquier índole. Al utilizar residuos como materia prima, no sólo se soluciona el cuidado hacia el desarrollo de la biodiversidad de la fauna, sino que se beneficia tanto la empresa que genera el efluente por el trato de sus residuos y la consideración política como una empresa “socialmente responsable con el medio ambiente” y se abre la posibilidad de la creación de un producto cuyo alto valor sea un bioplástico con un plazo de vida más corto que los que existen en el mercado por la aplicación de un producto de segunda generación, es decir que la materia prima es un residuo y no un bien definido para uso agrario como se mencionó en antecedentes, desde un punto de vista ambiental.

Por delante, las costumbres de la comunidad no se ven afectadas por este impacto tecnocientífico, puesto que ellos no están involucrados directamente desarrollando el proceso unitario del producto, sino que, nosotros sustraemos la materia prima para su fabricación y tratado, teniendo respeto por sus tierras y cultivos, utilizando únicamente el dispense de AGMEL.

 

Social.

Al inicio del semestre se realizaron entrevistas sobre las costumbres y maneras de vida de los habitantes en los que no se encontró metodología alguna en cuanto a la disposición de la basura, no por faltas de querer, sino de conocimiento, en la que conducidos por el principio de responsabilidad, adoptado desde el punto de vista de N. Luhman, hicimos la búsqueda de entendimientos de  razón social, política y moral que suceden en General Cepeda y a partir de la cosmovisión de los habitantes, los residuos del hogar son generalmente quemados cada 3 días, es una acción cotidiana que a nuestro conocimiento debería de ser regulada. Por otra parte,  AGMEL, ni siquiera contabiliza sus residuos y al nosotros utilizarlos, no se estaríamos haciendo una causa que cuyo efecto genere un desfase en alguno de los preceptos y costumbres sociales, políticos o morales de la comunidad, puesto que es un bien dispensable para ellos. Por esta razón al ocuparlo nosotros no interferimos con su estilo de vida y como tecnocientíficos seremos actores de la convergencia entre ciencia y tecnología para la transformación de su entorno.

 

Políticas.

Nosotros, como tecnocientíficos y seres humanos conscientes del principio de responsabilidad y precaución  utilizamos los residuos de una materia prima para prevenir la posible explotación de una planta, tierra de cultivo o entorno geográfico de General Cepeda, en el que no debería llegar hasta el término “explotación” puesto que existen distintos órganos reguladores del gobierno como SAGARPA, NOMS y NMX.

En la actualidad, únicamente la NMX cuenta con una regulación para el sector bioplástico, la cual entró en vigor el 2 de Marzo del 2017; PROY-NMX-E-273-CNCP-2016. Fuera de ésta, en el apartado NMX-E perteneciente al sector plástico no se encontró ninguna otra NMX referente al ácido poliláctico o bioplásticos.

En cuanto a las NOM, no se encontró ninguna especificación en la base de datos, por lo que nos quedamos con la responsabilidad como siguiente generación de fuerza laboral a establecer preceptos que ayuden a delimitar hasta qué punto la tecnociencia está realizando un trabajo necesario y no desmedido.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

REFERENCIAS

Montipó, S., et al. (2016). Building Block Lactic Acid grom Rice Husks and Agave Baggasse. Waste Biomass Valor, Vol7. 1495-1507.

Núñez, A.; Michelena, G.; Carrera, E. & Alvarez, X. (2009). Estudios sobre la recuperación y purificación de ácido láctico para la producción de plásticos biodegradables. ICIDCA. Sobre los derivados de la caña de azúcar. vol XLIII, núm 2, pp. 20-29. ISSN: 0138-6204. Sitio: http://www.redalyc.org/pdf/2231/223120662004.pdf

Chuensangjun, C., Pechyen, C., Chisti, Y., & Sirisansaneeyakul, S. (2012). Lipase-Catalysed Polymerization of Lactic Acid and the Properties of the Polymer. Advanced Materials Research, 506, 154–157. http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.506.154

Zhen, W., Zheng, Y. (2015). Synthesis, characterization, and thermal stability of poly(lactic acid)/zinc oxide pillared organic saponite nanocomposites via ring-opening polymerization of D,L-lactide. Polymers Advanced Technologies, Volume 27, 606-614, DOI 10.1002/pat.3727

Kucharczyk, P., Poljansek, I., & Sedlarik, V. (2012). The Effect of Various Catalytic Systems on Solid-State Polymerization of Poly-(L-lactic acid). Journal of Macromolecular Science, Part A, 49(10), 795–805. http://doi.org/10.1080/10601325.2012.714312

R.O.Gulyaev, A. A. B. A. M. G. S. K. K. V. I. F. G. Y. G. E. I. S. I. R. D. (2015). Polymerization of Lactic Acid Using Microwave and Conventional Heating. Procedia Chemistry, 15, 97–102. http://doi.org/10.1016/J.PROCHE.2015.10.01

Garcia-Moya, E., Romero-Manzanares, A., & Nobel, P. S. (2011). Highlights for Agave Productivity. GCB Bioenergy, 3(1), 4–14. http://doi.org/10.1111/j.1757-1707.2010.01078.x