bioplastico de colageno de pollo

7/24/2019 Bioplastico de Colageno de Pollo

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iii

APROBACIN DEL TUTOR

En calidad de tutor del trabajo de grado titulado OBTENCIN DE UNA PELCULA DE

BIOPLSTICO A PARTIR DEL COLGENO DE LAS PATAS DE POLLO, me

permiti certificar que el mismo es original y ha sido desarrollado por la seorita ANDREA

CAROLINA NEZ SOLS, bajo mi direccin y conforme con todas las observaciones

realizadas, considero que el y trabajo est concluido y tiene mi aprobacin.

En la ciudad de Quito a los 8 das del mes de Agosto de 2014

Ing. Andrs De La Rosa M.

PROFESOR TUTOR


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iv

AUTORIZACIN DE LA AUTORA INTELECTUAL

Yo, ANDREA CAROLINA NEZ SOLSen calidad de autora del trabajo de grado realizado

sobre OBTENCIN DE UNA PELCULA DE BIOPLSTICO A PARTIR DEL COLGENO

DE LAS PATAS DE POLLO, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL

ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o de parte de los que contiene

esta obra, con fines estrictamente acadmicos o de investigacin.

Los derechos que como autor me corresponden, con excepcin de la presente autorizacin,

seguirn vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artculos 5, 6, 8, 19 y

dems pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.

En la ciudad de Quito, a los 8 das del mes de Agosto de 2014

Andrea Nez Sols

C.C.: 10804143764

[email protected]


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v

DEDICATORIA

Este trabajo va dedicado a Dios por guiar mi

camino; a mis padres Oswaldo y Mariana, mis

hermanos Maritza y Luis, y a toda mi familia por

todo el apoyo proporcionado en todo momento, su

ejemplo de lucha y constancia para m fueron

motivos de superacin, el amor de ellos mi fortaleza

para culminar con xito mis estudios, finalmente a

todos mis amigos por compartir conmigo sus metas

y anhelos, su amistad me permiti conocerles mejor

como personas.


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vi

AGRADECIMIENTOS

A la Facultad de Ingeniera Qumica de la Universidad Central del Ecuador, por todos los

conocimientos recibidos, que me formaron como un gran profesional.

Al Ing. Andrs De La Rosa por el apoyo otorgado durante el desarrollo de este trabajo,

compartiendo sus conocimientos y experiencia profesional, que me permitieron alcanzar el

objetivo propuesto.

A todos los profesores de la Facultad de Ingeniera Qumica por ser personas admirables, de

ellos obtuve los conocimientos que me formaron como persona y un profesional til para la

sociedad.


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CONTENIDO

pg.

LISTA DE TABLAS ................................................................................................................... xii

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ xiv

LISTA DE GRFICOS .............................................................................................................. xv

LISTA DE ANEXOS ................................................................................................................. xvi

RESUMEN ................................................................................................................................ xvii

ABSTRACT ............................................................................................................................. xviii

INTRODUCCIN ........................................................................................................................ 1

1.MARCO TERICO .................................................................................................................. 4

1.1. Polmeros ............................................................................................................................... 4

1.1.1.Definicin.. .......................................................................................................................... 4

1.1.2.Clasificacin........................................................................................................................ 41.2. Biopolmero ........................................................................................................................... 5

1.2.1.Protenas............................................................................................................................. 6

1.2.1.1.Aminocidos..................................................................................................................... 6

1.2.1.2.Pptidos y polipptidos.................................................................................................. 10

1.2.2.Colgeno........................................................................................................................... 10

1.2.3.Gelatina............................................................................................................................. 12

1.2.3.1.Gelatina de patas de pollo.............................................................................................. 13

1.3.Pelculas biodegradables ...................................................................................................... 141.3.1.Biopelculas de protenas.................................................................................................. 15

1.3.2.Plastificantes..................................................................................................................... 15

1.3.2.1.Alcohol polivinlico (PVA)............................................................................................. 16

1.3.2.2.Glicerina......................................................................................................................... 17

1.3.2.3.Brax.............................................................................................................................. 18

1.3.3.Reticulantes....................................................................................................................... 18

1.3.3.1.cido tnico.................................................................................................................... 19


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viii

1.3.3.2.Glutaraldehdo............................................................................................................... 20

1.3.4.Aplicaciones de biopelculas............................................................................................. 21

1.3.5.Caracterizacin de las pelculas biodegradables............................................................. 21

1.3.5.1.Caracterizacin mecnica-ensayos de traccin............................................................. 21

1.3.5.2.Ensayos fsicos............................................................................................................... 23

1.3.5.3.Ensayos de biodegradabilidad....................................................................................... 25

1.4.Fundamento de una biopelcula elaborada a base de gelatina y alcohol poli vinlico. ......... 26

1.5. Resultados de la caracterizacin de las pelculas elaboradas a base de protenas............... 26

2.MARCO EXPERIMENTAL ................................................................................................... 29

2.1. Materiales y equipos ............................................................................................................ 29

2.2. Sustancias y reactivos .......................................................................................................... 29

2.3. Obtencin de gelatina a partir de patas de pollo .................................................................. 30

2.3.1.Pruebas preliminares para la obtencin de gelatina........................................................ 30

2.3.2.Procedimiento final para la obtencin de gelatina de patas de pollo por medio

bsico................................................................................................................................ 30

2.3.3.Diagrama de flujo............................................................................................................. 31

2.3.4.Pruebas primales............................................................................................................... 32

2.4. Elaboracin de biopelculas mediante evaporacin de agua ............................................... 32

2.4.1.Pruebas preliminares para la obtencin de biopelculas.................................................. 32

2.4.2.Variables y parmetros considerados para la experimentacin.. ..................................... 33

2.5. Diseo experimental para la elaboracin de las biopelculas .............................................. 34

2.5.1.Definicin de factores y niveles considerados.................................................................. 34

2.5.2.Procedimiento para la elaboracin de pelculas biodegradables. .................................... 36

2.6. Ensayos de caracterizacin fsica, mecnica, y biodegradable de las lminas ................... 37

2.6.1.Espesor de las pelculas.................................................................................................... 37

2.6.2.Humedad........................................................................................................................... 37

2.6.3.Solubilidad en agua........................................................................................................... 372.6.4.Permeabilidad al vapor de agua....................................................................................... 38

2.6.5.Ensayo de biodegradabilidad............................................................................................ 39

2.6.6.Ensayo de traccin-deformacin en un sentido................................................................ 39

3.DATOS.................................................................................................................................... 40

3.1. Pruebas realizadas para la obtencin de la materia prima (Gelatina). .................................. 40

3.1.1.Datos para el clculo del rendimiento de la materia prima ............................................ 40

3.2. Datos para la elaboracin de biopelculas ............................................................................ 41


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ix

3.2.1.Pruebas preliminares para la elaboracin de biopelculas.............................................. 41

3.2.1.1.Datos para la elaboracin de pelculas combinadas con dos tipos de

plastificantes................................................................................................................. 43

3.2.2.Discriminacin y estimacin de las variables de anlisis................................................. 43

3.3. Datos generados para los diferentes ensayos mecnicos, fsicos y biodegradables. ........... 44

3.3.1.Datos para el ensayo de el espesor. .................................................................................. 44

3.3.2.Datos para el ensayo de la humedad................................................................................ 45

3.3.3.Datos para el ensayo de la solubilidad. ............................................................................ 46

3.3.4.Datos para el ensayo de la biodegradabilidad................................................................. 47

3.3.4.1.Datos para la biodegradabilidad anaerobia y aerobia en 8 h..................................... 47

3.3.4.2.Datos para la biodegradabilidad anaerobia y aerobia en 24 h................................... 48



3.3.5.Datos para el ensayo de la permeabilidad........................................................................ 50

3.3.6.Datos para el ensayo de la traccin.................................................................................. 52

.........................................................................................................................................................

4.CLCULOS ............................................................................................................................ 53

4.1. Clculo del rendimiento de gelatina obtenido. ..................................................................... 53

4.1.1.Clculo modelo para el rendimiento................................................................................ 53

4.2. Clculos para los ensayos realizados a las biopelculas ...................................................... 53

4.2.1.Clculo modelo para el promedio de espesor de la pelcula M1...................................... 53

4.2.2. Clculo modelo para la determinacin del porcentaje de humedad para

la pelcula M1.................................................................................................................. 53

4.2.3. Clculo modelo para la determinacin del porcentaje de solubilidad para

la pelcula M1.................................................................................................................. 54

4.2.4. Clculo modelo para la determinacin del porcentaje de prdida de peso para

el ensayo de biodegradabilidad anaerobia para la pelcula M1............................................... 54

4.2.5. Clculo modelo para la determinacin de la permeabilidad de vapor de aguapara la pelcula M1..................................................................................................................... 55

5.RESULTADOS ....................................................................................................................... 56

5.1. Resultados de los anlisis primales de la materia prima (gelatina y patas de pollo) ............ 56

5.1.1.Resultados de los anlisis primales de las patas de pollo................................................. 56

5.1.2.Resultados de los anlisis primales de la gelatina............................................................ 56

5.1.3.Resultados del rendimiento de la materia prima obtenida............................................... 57

5.2. Resultados de los ensayos fsicos, mecnicos y de biodegradabilidad de las


9/113

x

biopelculas..57

5.2.1.Resultados del ensayo de espesor..................................................................................... 57

5.2.2.Resultados del ensayo de humedad................................................................................... 58

5.2.3.Resultados del ensayo de solubilidad................................................................................ 58

5.2.4. Resultados del ensayo de la biodegradabilidad ................................................................. 59

5.2.4.1.Resultados para el ensayo de la biodegradabilidad en un tiempo de 8h....................... 59

5.2.4.2.Resultados para el ensayo de la biodegradabilidad en un tiempo de 24h..................... 59

5.2.4.3.Resultados para el ensayo de la biodegradabilidad en un tiempo de 32h.................... 60

5.2.4.4.Resultados para el ensayo de la biodegradabilidad en un tiempo de 48 h.................... 60

5.2.4.5.Grfico para la biodegradabilidad anaerobia............................................................... 61

5.2.4.6. Grfico para la biodegradabilidad aerobia................................................................... 61

5.2.5.Resultados del ensayo de la permeabilidad al vapor de agua......................................... 62

5.2.6.Resultados del ensayo de traccin-deformacin en un sentido......................................... 63

5.2.6.1. Resultados de la resistencia a la rotura......................................................................... 63

5.2.6.2.Resultados de la elongacin a la rotura........................................................................ 63

5.3. Optimizacin del espesor, la solubilidad, la permeabilidad y la traccin en un solo

sentido ......................................................................................................................................... 64

5.3.1. Optimizacin del espesor mnimo y mximo..................................................................... 64

5.3.2. Optimizacin de la solubilidad......................................................................................... 65

5.3.3. Optimizacin de la permeabilidad.................................................................................... 66

5.3.4.Optimizacin de traccin en un solo sentido.................................................................... 67

5.3.4.1. Optimizacin de la resistencia a la rotura..................................................................... 67

5.3.4.2.Optimizacin de la elongacin a la rotura.................................................................... 68

5.4. Ecuaciones generadas por las superficies de respuestas ...................................................... 69

6.DISCUSIN ............................................................................................................................ 70

6.1. Materia prima ....................................................................................................................... 70

6.2. Influencia de las variables .................................................................................................... 706.3. Superficies de respuesta de propiedades fsicas ................................................................... 70

6.4. Optimizacin de propiedades fsicas .................................................................................... 71

6.5. Propiedades de biodegradabilidad ........................................................................................ 72

6.6. Propiedades mecnicas ......................................................................................................... 72

6.7. Optimizacin de propiedades mecnicas ............................................................................. 72

7.CONCLUSIONES .................................................................................................................. 73

7.1. Materia prima ....................................................................................................................... 73


10/113

xi

7.2. Influencia de variables ......................................................................................................... 73

7.3. Propiedades fsicas .............................................................................................................. 74

7.4. Superficie de respuesta de propiedades fsicas .................................................................... 75

7.5. Propiedades de la biodegradabilidad ................................................................................... 75

7.6. Propiedades mecnicas ........................................................................................................ 75

7.7. Formacin de pelculas ........................................................................................................ 76

8.RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 77

CITAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................................................... 78

BIBLIOGRAFA ......................................................................................................................... 80

ANEXOS..................................................................................................................................... 82


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xii

LISTA DE TABLAS

pg.

Tabla 1. Nombres y estructuras de los aminocidos esenciales .................................................... 8

Tabla 2. Nombres y estructuras de los aminocidos accesorios .................................................... 9

Tabla 3. Nombres y estructuras de los aminocidos no esenciales ............................................... 9

Tabla 4. Grupos amino cidos presentes en el colgeno de las patas de pollo ............................ 14

Tabla 5. Listado de plastificantes comunes ................................................................................. 16

Tabla 6. Listado de agentes reticulantes ...................................................................................... 19

Tabla 7. Parmetros considerados para la elaboracin de biopelculas ....................................... 34

Tabla 8. Definicin de factores y niveles .................................................................................... 36

Tabla 9. Pruebas preliminares para la obtencin de gelatina a una temperatura de 80 C

y 3 horas de extraccin ................................................................................................................ 40

Tabla 10. Datos para el clculo del rendimiento ......................................................................... 41

Tabla 11. Pruebas preliminares para la elaboracin de biopelculas ........................................... 41Tabla 12. Datos para la elaboracin de pelculas combinadas con dos tipos de

plastificantes ................................................................................................................................ 43

Tabla 13. Nomenclatura y concentracin de las pelculas generadas con el diseo

factorial 22................................................................................................................................... 44

Tabla 14. Datos para el ensayo de espesor .................................................................................. 45

Tabla 15. Datos para el ensayo de humedad ............................................................................... 46

Tabla 16. Datos para el ensayo de solubilidad ............................................................................ 46

Tabla 17. Datos para la biodegradabilidad anaerobia en 8 h ....................................................... 47Tabla 18. Datos para la biodegradabilidad aerobia en 8 h .......................................................... 47

Tabla 19. Datos para la biodegradabilidad anaerobia en 24 h ..................................................... 48

Tabla 20. Datos para la biodegradabilidad aerobia en 24h ......................................................... 48

Tabla 21.Datos para la biodegradabilidad anaerobia en 32h ....................................................... 49

Tabla 22.Datos para la biodegradabilidad aerobia en 32h .......................................................... 49

Tabla 23.Datos para la biodegradabilidad anaerobia en 48h ....................................................... 50

Tabla 24.Datos para la biodegradabilidad aerobia en 48h .......................................................... 50


12/113

xiii

Tabla 25. Datos para el ensayo de la permeabilidad ................................................................... 51

Tabla 26. Datos para el ensayo de traccin ................................................................................. 52

Tabla 27. Resultados de los anlisis primales de las patas de pollo ............................................ 56

Tabla 28. Resultados de los anlisis primales de la gelatina ....................................................... 56

Tabla 29. Resultados del rendimiento de la materia prima obtenida .......................................... 57

Tabla 30. Resultados del ensayo de espesor................................................................................ 57

Tabla 31. Resultados del ensayo de humedad ............................................................................. 58

Tabla 32. Resultados del ensayo de la solubilidad ...................................................................... 58

Tabla 33. Resultados para el ensayo de la biodegradabilidad en un tiempo de 8h ..................... 59

Tabla 34. Resultados para el ensayo de la biodegradabilidad en un tiempo de 24h ................... 59

Tabla 35. Resultados para el ensayo de la biodegradabilidad en un tiempo de 32h ................... 60

Tabla 36. Resultados para el ensayo de la biodegradabilidad en un tiempo de 48 h .................. 60

Tabla 37. Resultados del ensayo de la permeabilidad al vapor de agua ...................................... 62

Tabla 38. Resultados de la resistencia a la rotura ........................................................................ 63

Tabla 39. Resultados de la elongacin a la rotura ....................................................................... 63

Tabla 40. Tabla de valores ptimos para maximizar y minimizar el espesor ............................. 65

Tabla 41. Valores ptimos para minimizar la permeabilidad ...................................................... 67

Tabla 42. Ecuaciones de las diferentes superficies de respuestas ............................................... 69


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xiv

LISTA DE FIGURAS

pg.

Figura 1. Clasificacin de Polmeros segn su comportamiento trmico ..................................... 5

Figura 2. Estructura de un aminocido .......................................................................................... 6

Figura 3. Estructura general de un aminocido ............................................................................. 7

Figura 4. Estructura de un enlace peptdico ................................................................................ 10

Figura 5. Estructura terciaria del colgeno (superhlice) ............................................................ 11

Figura 6. Representacin de la configuracin de cadenas de polipptidos en el colgeno

triple hlice .................................................................................................................................. 11

Figura 7. Estructura de la gelatina ............................................................................................... 13

Figura 8. Estructura del alcohol polivinlico ............................................................................... 17

Figura 9.Estructura de la glicerina .............................................................................................. 17

Figura 10. Estructura del in borato en solucin......................................................................... 18

Figura 11. Estructura del cido tnico ......................................................................................... 20Figura 12. Estructura del glutaraldehdo ..................................................................................... 20

Figura 13. Probeta y mordazas .................................................................................................... 22

Figura 14. Mquina para el ensayo de traccin ........................................................................... 22

Figura 15.Resultados de caracterizacin de pelculas a base de protena SPI ............................. 27

Figura 16. Propiedades mecnicas de films de gelatina de res, chancho y pescado ................... 28

Figura 17. Diagrama de flujo de la obtencin de gelatina de patas de pollo en medio

bsico........................................................................................................................................... 31

Figura 18. Esquema del diseo experimental .............................................................................. 35Figura 19.Obtencin de pelculas biodegradables ....................................................................... 37


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xv

LISTA DE GRFICOS

pg.

Grfico 1. Porcentaje de prdida de peso en funcin de la temperatura para la biodegra-

dabilidad anaerobia ..................................................................................................................... 61

Grfico 2. Porcentaje de prdida de peso en funcin de la temperatura para la biodegra-

dabilidad aerobia ......................................................................................................................... 61

Grfico 3. Efectos principales para el espesor de las pelculas ................................................... 64

Grfico 4. Superficie de respuesta para el espesor de las pelculas ............................................. 64

Grfico 5. Efectos principales para la solubilidad de las pelculas ............................................. 65

Grfico 6. Superficie de respuesta para la solubilidad de las pelculas ....................................... 65

Grfico 7. Efectos principales para la permeabilidad de las pelculas ........................................ 66

Grfico 8. Superficie de respuesta para la permeabilidad de las pelculas .................................. 66

Grfico 9. Efectos principales para la resistencia a la rotura de las pelculas ............................. 67

Grfico 10. Superficie de respuesta para la resistencia a la rotura de las pelculas..................... 67

Grfico 11. . Efectos principales para la elongacin a la rotura de las pelculas ........................ 68

Grfico 12. Superficie de respuesta para la elongacin de las pelculas ..................................... 68


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xvi

LISTA DE ANEXOS

pg.

ANEXO A. Fotos de ensayospara las pelculas biodegradables.....83

ANEXO B. Fotos de materiales y equipos...87

ANEXO C. Resultados del ensayo de traccin del laboratorio CIAP..88


16/113

xvii

OBTENCIN DE UNA PELCULA DE BIOPLSTICO A PARTIR DEL COLGENO

DE LAS PATAS DE POLLO

RESUMEN

Obtencin de una pelcula biodegradable a partir del colgeno parcialmente hidrolizado de las

patas de pollo en medio bsico, y su caracterizacin fsica, mecnica y de biodegradabilidad.

Se realizaron ensayos previos para la elaboracin de la pelcula, mezclando la gelatina con

plastificantes y reticulantes en diferentes concentraciones. Se escogi la mejor combinacin

analizada visualmente que corresponden a los plastificantes glicerina y alcohol polivinlico, y se

establecieron las mejores condiciones de trabajo para la obtencin de estas biopelculas. Se

estudi la influencia de las variables concentracin de gelatina y del plastificante en las

propiedades de las biopelculas obtenidas de las diferentes mezclas definidas por un diseo

factorial 22. Se analizaron las siguientes propiedades de las biopelculas: espesor, solubilidad,

humedad, biodegradabilidad, permeabilidad,y traccin en una sola direccin. Mediante el

mtodo de superficie de respuesta con puntos axiales se pudo escoger las mejores pelculas para

cada propiedad fsica y mecnica.

De los resultados se concluye que las propiedades de las pelculas varan de acuerdo a las

concentraciones de gelatina y de plastificantes utilizadas debido a las caractersticas que cada

uno de ellos brinda, como es la resistencia y elasticidad respectivamente. Adems la

biodegradabilidad aerobia es mucho ms rpida que la biodegradabilidad anaerobia

PALABRAS CLAVES: / PELCULAS BIODEGRADABLES/PROPIEDADES

FSICAS/PROPIEDADES MECNICAS/ GELATINA/ALCOHOL

POLIVINLICO/GLICERINA/


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xviii

OBTAINING OF A BIOPLASTIC FILM USING COLLAGEN FROM CHICKEN FEET

ABSTRACT

Obtaining of a biodegradable film using partially hydrolyzed collagen from chicken feet in a

basic medium, and its physical, mechanical and biodegradability characterization.

Many previous essays were made to elaborate the film, mixing gelatin with plasticizers and

cross-linkers which were used in different concentrations. The best combination visually

analyzed was chosen in order to develop the biofilm which refer to the plasticizers glycerin and

polyvinyl alcohol, and the best conditions of work were established. The effects of the variables

gelatin and plasticizer concentration were studied in the biofilms properties which were

obtained of the diferent mixtures defined by a factorial design 22. The properties which were

analyzed on the biofilms are: thickness, solubility, moisture content, biodegradation,

permeability and traction in one direction. Using the response surface method with axial points,

it was possible to choose the best film to each physic and mechanical property.

The results showed that the properties of the biofilms change according to gelatin and

plasticizers concentrations that were used, because tensile strength and elongation change

respectively. Furthermore aerobic biodegradability is faster than anaerobic biodegradability.

KEYWORDS: / BIODEGRADABLE FILMS/ PHYSICS PROPERTIES /

MECHANICAL PROPERTIES/ GELATIN/ POLYVINYL ALCOHOL / GLYCERIN/


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1

INTRODUCCIN

La importancia de los biopolmeros en la actualidad se debe a varios factores, entre ellos: el

alto precio de las resinas derivadas del petrleo, la creciente conciencia de los consumidores

acerca de la necesidad de proteger al ambiente, la madurez tecnolgica ya alcanzada en la

generacin de productos de alto desempeo con estas resinas derivadas del petrleo. Esto

explica que en los ltimos aos los fabricantes de envases han lanzado al mercado envases de

plsticos biodegradables fabricados a partir de recursos renovables.

El uso de polmeros es indispensable en nuestra vida cotidiana, lo que ha provocado un grave

problema de contaminacin ambiental en el mundo debido al tiempo que se tarda en

degradarse, adems aportan al calentamiento global debido a que las bolsas de plstico liberan

gases de efecto invernadero (metano y dixido de carbono principalmente) cuando se lanzan en

los vertederos y comienzan a descomponerse. Los plsticos sintticos tienen su origen en los

derivados del petrleo, se estima que su degradacin tarda alrededor de 500 aos. Esta

particularidad y la necesidad de su uso, hace indispensable investigar la obtencin de plsticos

amigables con el ambiente, dando como resultado la creacin de los biopolmeros.

Los bioplsticos son un tipo de plsticos que a diferencia de los plsticos convencionales tienen

su origen en productos vegetales o animales, en el proceso de su elaboracin emiten entre 0,8 y

3,2 toneladas menos de dixido de carbono por tonelada en comparacin de los plsticos

derivados del petrleo, adems que el tiempo de degradacin es menor, constituyendo as una

alternativa para la sustitucin de una gran variedad de plsticos.

En universidades como Michigan Biotechnology Institute, University of Nottingham, elDepartamento de Ingeniera Qumica alimentos y Ambiental de la Universidad de las Amricas

en Mxico, el Instituto de Biotecnologa, la Facultad de Ciencias Biolgicas de la Universidad

Autnoma de Nuevo Len, University of Missouri, la Universidad Nacional de San Martin, la

Facultad de Ingenieria Agroindustrial en Tarapoto-Peru, la Universidad de Sao Paulo en la

Facultad de Alimento en Brasil, se han estudiado propiedades morfolgicas, estructurales,

trmicas viscoelsticas de pelculas biodegradables obtenidas a partir de polmeros naturales.


19/113

2

Los biopolmeros provienen de fuentes naturales de origen animal o vegetal, y la elaboracin

de pelculas que se han estudiado en la Escuela Universitaria Politcnica de la Universidad del

pas Vasco en el ao 2010, han sido elaboradas a base de protena de soja. En la Facultad de

Ingeniera UNLP' La Plata (Rivero S, Garca; MaPinotti ,A), han elaborado pelculas a partir de

almidn, de quitosano y gelatina. La Revista Soc Quim Per, 2009 ( Mendieta-Taboada, Oscar;

Sobral, Paulo Josefo A; Carvalho, Rosemary; Ana Mnica Q.B)., han elaborado pelculas a

partir de gelatina las pelculas. La Facultad de Ciencias Biolgicas de la Universidad

Autnoma de Nuevo Len en Mxico, han elaborado pelculas a base de la cscara de limn.

En la Escuela Politcnica Nacional en la Facultad de Ingeniera Qumica el ao 2008 han

elaborado pelculas a partir de carbohidratos como el almidn.

Bajo estos antecedentes se investig la obtencin de una pelcula de bioplstico a partir del

colgeno de las patas de pollo, debido a que ste es un biopolmero cuya estructura permite la

obtencin de un biomaterial con buenas propiedades. Dentro de la industria avcola las patas de

pollo son consideradas como un subproducto industrial de poco inters para el consumo

humano, la falta de mercado para ste subproducto obliga a los planteles avcolas a vender el

mismo a precios muy bajos, y otra parte es destinada como desecho o para la fabricacin de

alimento para animales. Dentro de ste escenario se puede optar por utilizar a ste subproducto

como base para la obtencin de plsticos biodegradables el cual constituye el valor agregado de

ste subproducto.

Para la elaboracin de las pelculas primero se obtuvo gelatina, posteriormente se realizaron

mezclas de gelatina con plastificantes y reticulantes y se escogi la mejor combinacin

analizada visualmente. En base a los plastificantes escogidos se realiz un diseo factorial 2 2

con puntos axiales generndose as once diferentes combinaciones Para la caracterizacin fsica,

mecnica y biodegradable de las pelculas elaboradas a base de gelatina, se realizaron ensayos

de espesor, humedad, solubilidad, biodegradabilidad, para lo cual se utilizaron procedimientos

basados en los artculosCross-linked soy protein as material for biodegradable films:Synthesis, Characterization and Bi odegradation de la revistaJournal of F ood Engineeri ng, y

Pelculas degradables y comestibles desarrolladas en base a aislado de protenas de suero lcteo

de la revista del Laboratorio Tecnolgico de Uruguay. La permeabilidad al vapor de agua se la

realiz mediante la modificacin de la normaASTM-E96 /96-M05 con las condiciones de 75 %

HR a una temperatura de 25 C. La traccin en un solo sentido segn la norma ASTM D882.

Dichos ensayos se realizaron bajo un diseo factorial 22 con puntos axiales y punto central, el

cual permite generar datos para la construccin de grficos de superficie de respuesta, mediante

los cuales fue posible identificar la pelcula con las mejores propiedades.


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3

De los anlisis de los resultados se obtiene, que las caractersticas de las pelculas varan de

acuerdo a la composicin de las mismas, las cuales tienen una composicin entre 4,88 % y

28,45 % de concentracin de gelatina y entre 3,96 % y 11,05 % de concentracin de

plastificante. Se obtiene que la pelcula ptima para cada propiedad es diferente a pesar que en

todas las superficies de respuesta de las propiedades se trabaj con ecuaciones de segundo

orden. vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv.


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4

1. MARCO TERICO

1.1.Polmeros

1.1.1.Definicin. La unin de varios monmeros (molculas pequeas) de diferente peso

molecular forman un polmero (macromolcula).

1.1.2.Clasificacin.

Existen diferentes criterios para poder clasificar a los polmeros, como su

origen o el tipo de polimerizacin por la cual se obtiene, el monmero del cual proviene.

Tambin, una clasificacin muy reconocida es segn la respuesta mecnica que tenga el

polmero frente a temperaturas elevadas, es decir la termodependencia [1]de sus propiedades;

segn este criterio se presenta la siguiente clasificacin:

a. Termoplsticos. Los termoplsticos son polmeros que al calentarse a elevadas temperaturas

se convierten en fluidos, es decir se funden, permitiendo su moldeabilidad en la forma

deseada, adems la forma quedar preservada al enfriarse. Los polmeros amorfos para quesean termoplsticos, la temperatura de transicin vtrea (temperatura por encima de la cual

un polmero se vuelve blando y dctil, y por debajo de la cual se vuelve duro y quebradizo)

se debe encontrar por encima de la temperatura ambiente, ya que a temperatura ambiente se

encuentran duros y quebradizos. Constituyen el grupo ms importante y de mayor uso

comercial de polmeros sintticos. Las cadenas de los termoplsticos no se encuentran

entrecruzadas, por lo que es posible volver a darle forma una vez moldeada. Generalmente a

estos materiales se aplica calor y presin para una poder moldearlos. Como ejemplos

comunes de termoplsticos se encuentran polietilenos, polipropilenos, policloruro de vinilo,poliamidas, policarbonatos, poliuretanos.

b. Elastmeros. Los elastmeros son polmeros que poseen cadenas con mucha libertad de

movimiento molecular (flexibilidad). La particularidad de los elastmeros es que pueden ser

estirados hasta muchas veces su propia longitud y recuperar su forma original, adems son

blandos y elsticos a temperatura ambiente . En los elastmeros para polmeros amorfos la


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5

temperatura de transicin vtrea Tg se encuentra por debajo de la temperatura ambiente. Son

insolubles, pero hinchables. Los elastmeros se utilizan por sus excelentes propiedades

elsticas, como ejemplo podemos citar el caucho natural y el sinttico, el caucho nitrilo, el

caucho estireno, etc.

c. Termoestables. Los termoestables son polmeros que no pueden fluir por efecto de la

temperatura para ser remoldeados. Estn conformados por molculas de cadena larga que

estn entrecruzadas en una organizacin tridimensional. As son molculas gigantescas con

fuertes enlaces covalentes. Tienden a ser resinas de mucha rigidez, y al someterlos a

temperatura elevada promueven la descomposicin qumica del polmero (carbonizacin). A

temperatura ambiente son duros y frgiles. Como ejemplos de polmeros termoestables

podemos citar las resinas de polister, las resinas vinilsteres, las epoxi, las fenlicas, las

resinas urea-formaldehdo, etc. [2]

Figura 1. Clasificacin de polmeros segn su comportamiento trmico

1.2.Biopolmero

Se dice que un biopolmero es una macromolcula, la cual es sintetizada mediante algn

proceso biolgico. En este sentido las protenas, el ADN, y los polisacridos son los

biopolmeros ms importantes La mayora de biopolmeros son biodegradables, impermeables

homogneos, resistentes a los agentes qumicos y con otras caractersticas especficas. [3]

"Los biopolmeros naturales que se han estudiado para la elaboracin de pelculas

biodegradables comestibles provienen de cuatro grandes fuentes: origen animal

(colgeno/gelatina), origen marino (quitina/quitosano), origen agrcola (lpidos y grasas e


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6

hidrocoloides, protenas y polisacridos), origen microbiano (cido polilctico (PLA) y

polihidroxialcanoatos (PHA)'' ( Williams y Hilmer, 2008).

1.2.1.

Protenas. Las protenas son materiales biolgicos de alto peso molecular, y constituyen

una gran parte del cuerpo animal, lo mantienen como unidad y lo hacen funcionar. Se las

encuentra en toda clula viva, principalmente en los msculos, los tendones, la piel, los nervios,

la sangre, las uas las enzimas, los anticuerpos, las hormonas.

Desde el punto de vista qumico son polmeros de elevado peso molecular, constitudos por

C,H,O,N y otros elementos.

Las protenas son poliamidas las cuales por hidrlisis dan cidos amino carboxlicos o

aminocidos.

Figura 2. Estructura de un aminocido

stos cidos aminocarboxlicos se encuentran condensadas en cadenas largas polipeptdicas.

Aunque las protenas difieren considerablemente en el contenido de aminocidos individuales y

el orden en el cual aparecen, el contenido de nitrgeno es casi tan constante (16%) que se usa

como base para calcular la cantidad de protena en los alimentos.

(1)

1.2.1.1.Ami nocidos. Son sustancias que tienen como caracterstica general el hecho de poseer

un carboxilo libre y un grupo amino, situado en el carbn alfa con respecto al carboxilo. La

frmula general de un aminocido es:


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7

Figura 3. Estructura general de un aminocido

En una protena las cadenas laterales R (Radicales) de los aminocidos determinan la

reactividad y estructura de las protenas. As si n las cadenas R existen grupos carboxilo, stos

se denominan como aminocidos cidos, y si existen en la cadena R grupos amino se

denominan aminocidos bsicos, y los dems compuestos se denominan aminocidos neutros

Existen 20 aminocidos de los cuales 10 son aminocidos conocidos como cidos banales y el

hombre los sintetiza para cubrir sus necesidades, 8 aminocidos son esenciales y el hombre nolos puede sintetizar pero est obligado a consumirlos, y 2 son aminocidos llamados accesorios,

los cuales son importantes para el crecimiento de los nios.

''Adems de los 20 aminocidos comunes en las protenas hay algunos otros aminocidos raros

que forman parte de algunos tipos particulares de protenas, tales como las fibrosas. Por

ejemplo, el aminocido hidroxiprolina se encuentra casi exclusivamente en la protena llamada

colgena.

Todos los aminocidos de las protenas tienen una configuracin L, los de configuracin D , no

se encuentran presentes en las protenas pero si en la materia viva o en la pared celular de

algunos microorganismos, en los antibiticos, etc.''[4]


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9

Tabla 2. Nombres y estructuras de los aminocidos accesorios

Tabla 3. Nombres y estructuras de los aminocidos no esenciales

Nombre

ConocidoNombre I

Cdigo

Internacion

al

Radical, R

Treonina THR T

Lisina LYS K

Aminocidos accesorios

Nombre

ConocidoNombre I

Cdigo

InternacionalRadical, R

Alanina ALA A

Tirosina TYR Y

Glicina GLY G

Serina SER S

Cisteina CYS C

Prolina PRO Pro

Acido Aspartico ASP D

Acido Glutamico GLU E

Asparagina ASN N

Glutamina GLN Q

Aminocidos no esenciales (banales)


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11

Figura 5. Estructura terciaria del colgeno (superhlice)

FUENTE: PAULIN; COREY.The Structure of fibrous proteins of the collagen-gelatin groups.[en lnea]. California Institute of Technology. California 1951. p273. Disponible en:

Figura 6. Representacin de la configuracin de cadenas de polipptidos en el colgeno

triple hlice

Existen 20 tipos de colgeno, y cada tipo tiene su propia secuencia de aminocidos, pero todas

contienen una cantidad significativa de estructura helicoidal triple.[6]


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12

Debido a sus propiedades biolgicas y disponibilidad inmediata, el colgeno de tipo I (presente

en hueso, cartlago, tendn y crnea) es utilizado como un biomaterial en una variedad de

formas fsicas tales como esponjas, pelculas y membranas.

El colgeno de tipo I (presente en cartlago, hueso, tendn y cornea), es un biopolmero

compuesto de 2 cadenas 1, y una cadena 2, conteniendo aproximadamente 1050 aminocidos

en cada cadena. ste tipo de colgeno contiene 1/3 de Glicina, no contiene triptfano y es muy

baja en histidina y tirosina. Adems el colgeno de tipo I es el nico que puede ser usado para la

elaboracin de gelatina, la cual puede ser obtenida de diferentes recursos como bovino, porcino,

piel de pescado, meduzas, patas de pollo. Sin embargo la composicin de aminocidos vara

nicamente un poco como por ejemplo las gelatinas obtenidas de la piel de chancho o huesos no

contienen cistina, pero al mismo tiempo las gelatinas de piel de pescado y huesos contienen

menos glicina que las hechas con recursos mamferos.[7]

El colgeno posee caractersticas como un biomaterial que es distinta de las de los polmeros

sintticos. El colgeno se utiliza para hacer las pelculas de protenas comestibles ms exitosos

comercialmente. Pelculas de colgeno ofrecen varias ventajas: es biocompatible y no txico

para la mayora de los tejidos. [8]

1.2.3.Gelatina.Lagelatina es una protena, la cual es soluble en agua caliente y se obtiene

por desnaturalizacin parcial del colgeno a travs de diferentes tratamientos que involucran

una hidrlisis cida o alcalina'' (Eastoe y Leach, 1977; Johnston-Banks, 1990). Mediante la

hidrlisis del colgeno, es decir cuando el colgeno se calienta en agua, la triple hlice del

colgeno se desenrolla dando cadenas independientes, resultando as un tipo de bobinas que se

disuelven en agua, y que al enfriarse forman la gelatina; stas molculas tratan de recuperar la

estructura helicoidal original y, finalmente, se unen entre s a medida que pierden energa.

Una estructura tpica de la gelatina es Ala-Gly-Pro-Arg-Gly-Glu-4Hyp-Gly-Pro como semuestra en la figura 7.


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13

FUENTE:GEA Process Engineering Company[en lnea]. [Fecha de consulta: 7-06-2014].

Disponible en: http://www.niroinc.com/food_chemical/spray_drying_gelatin.asp

Figura 7. Estructura de la gelatina

La gelatina es una protena nutricional incompletas porque les falta triptfano, el rendimiento de

la produccin de la gelatina y su calidad dependen de la edad del animal, de la fuente de la

materia prima y del proceso empleado en su fabricacin. La calidad est influenciada por el

tiempo, la temperatura, el pH, el grado de molienda, la carga bacteriana, la presencia de

impurezas y los aditivos que sean empleados en el proceso de la conversin del colgeno a la

gelatina. [9]

La gelatina se puede obtener de dos formas por medio cido o medio bsico. Por medio cido es

una gelatina de tipo A y presenta un punto isoelctrico (pH en el cual el aminocido en

disolucin es elctricamente neutro) de entre 7 y 9 pH, y por medio bsico es una gelatina de

tipo B y presenta un punto isoelctrico de entre 4,6 y 5,2 pH.

La Gelatina tiene varias aplicaciones en la industria farmacutica, sta es usada para laelaboracin de cpsulas, tabletas, para prevenir que las pastillas sean daadas por la luz y el

aire, la gelatina tambin es usada en la medicina, en la industria fotogrfica.

1.2.3.1.Gelati na de patas de poll o

Composicin.La composicin de la gelatina de patas de pollo consta fundamentalmente de

cinco aminocidos Glicina, Alanina, Prolina, cido glutmico, y cido Asprtico, los

cuales se encuentran presentes en mayor cantidad.


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14

La siguiente tabla muestra la composicin de todos los aminocidos presentes en el colgeno

de patas de pollo.

Tabla 4. Grupos amino cidos presentes en el colgeno de las patas de pollo

AminocidosNombre

ConocidoAcido

Aspartico

Treonina

SerinaAcido

Glutamico

Prolina

GlicinaAlanina

Cisteina

Valina

Metionina

Isoleucina

Leucina

Tirosina

Fenilanina

Histidina

Lisina

Arginina

FUENTE:D.C. Liu; Y.K, Lin; M.T, Chen. Optimun Condition of Extracting Collagen from

Chicken Feet and its characteristics. National Chung-Hsing University. Department of Animal

Science.Taiwan 40227. 1640p.

1.3. Pelculas biodegradables

Las pelculas biodegradables son unas lminas delgadas y son elaboradas a partir de sustancias

de origen natural, y tienen la propiedad de ser degradadas fcilmente en un proceso de

compostaje.


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15

1.3.1.Biopelculas de protenas. Las pelculas hechas a base de protenas son unos

biomateriales prometedores debido a que forman barreras de gases y se adhieren fcilmente a

superficies hidroflica. Sin embargo, las principales limitaciones de las pelculas de protenas,

similares a otros biopolmeros, son su falta de resistencia mecnica, y una sensibilidad a los

cambios de ph por lo que deben delimitarse las condiciones ptimas de su formacin, y forma

una pobre barrera de vapor de agua debido a su naturaleza hidroflica. '' Un mtodo muy eficaz

para mejorar la resistencia al agua, la cohesin, la rigidez y la resistencia mecnica y las

propiedades de barrera de las pelculas al agua es la reticulacin. Para hacer esto, diferentes

grupos funcionales de las protenas se puede utilizar. Redes de protenas tienen la capacidad de

interactuar con una amplia gama de compuestos activos. Esto se hace a travs de grupos

funcionales que actan sobre sus grupos laterales reactivos. Esto tiene el potencial de modificar

qumica, fsica o enzimticamente el entrecruzamiento para mejorar las propiedades funcionales

de las pelculas. .[10]

Otro de los tratamientos qumicos utilizados ampliamente para mejorar las propiedades de la

pelcula son con la ayuda de plastificantes como el glicerol o el PVA.

1.3.2.Plastificantes. De acuerdo con las normas ASTM (ASTM-D883), un plastificante es un

material que se incorpora a un plstico para facilitar su procesado y mejorar su flexibilidad. La

adicin de un plastificante puede hacer que disminuya la viscosidad en estado fundido, el

mdulo de elasticidad y la temperatura de transicin vtrea de un plstico. [11]

El plastificante es un factor importante en la formulacin de polmeros comestibles ya que

afecta las propiedades mecnicas y la permeabilidad de las pelculas. Los plastificantes alteran

la estructura de las pelculas, la movilidad de la cadena y los coeficientes de difusin de gases o

de agua.

El efecto del plastificante es hacer que el material al que se agrega sea ms manejable, adquiera

una mayor plasticidad y por tanto sea ms sencillo su tratamiento industrial. Su concentracinfinal suele ser muy baja. Sin embargo si el plastificante se encuentra presente en cantidades muy

pequeas normalmente se comporta como anti plastificante, es decir aumentan la dureza y

disminuyen el alargamiento de los polmeros. Adems se debe tomar en cuenta que el

plastificante de un polmero comestible tambin debe ser comestible.

En la tabla 5 se encuentran los plastificantes biodegradables ms utilizados.


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17

degradable y se disuelve rpidamente. El PVOH tiene un punto de fusin de 230C y 180-190C

para los grados totalmente hidrolizado y parcialmente hidrolizado respectivamente. Se

descompone rpidamente por encima de 200 C. Tiene un peso molecular de (70 a 100 kDa). El

poli (alcohol de vinilo) no funde como un termoplstico, sino que se descompone por prdida de

agua de dos grupos hidroxilos adyacentes a temperaturas superiores a 150 C.[12]

Figura 8. Estructura del alcohol polivinlico

1.3.2.2.Glicerina. La glicerina es un polialcohol primario, es viscoso, incoloro, inodoro,

higroscpico y dulce. Los trminos glicerina o glicerol son utilizados indistintamente para

referirse mismo al compuesto.

.

Figura 9.Estructura de la glicerina

La glicerina est formada por una molcula de propanotriol, es higroscpico, es decir absorbe

agua del aire; se derrite a 17,8 C, su punto de ebullicin con descomposicin es a 290 C, y es

miscible con agua y etanol.

La glicerina tiene una variedad de aplicaciones como: emulsionante, agente suavizador,plastificante, agente estabilizador y humectante para pastelera, heladera y tabaquera; en

lociones corporales, enjuagues bucales e innumerables preparados farmacuticos y cosmticos;

como medio protector para el congelamiento de glbulos rojos, esperma, crneas y otros tejidos;

en tintas de impresin, resinas de pinturas; mezclas anticongelantes; y como materia prima para

la nitroglicerina.


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18

1.3.2.3.Brax.' ' Brax es el nombre comercial de la sal de Boro, el cual es un mineral que se

origina de forma natural en depsitos de evaporita producidos por la evaporacin contnua de

los lagos estacionarios. Este cristal es blanco y suave que se disuelve fcilmente en agua, y se

expende en forma pentahidratada o decahidratada (5-10 moles de agua). Tiene una solubilidad

de 55 %P/P, y su punto de fusin es de 741 C, adems tiene varias aplicaciones como:

detergente, suavizante, jabon, desinfectante y pesticida. E s usado en manufacturas devidrios,

componentes depinturas, soldaduras,preservante de maderas, desoxidante, como ingrediente

enabonos foliares y plastificante. ''[13]

Figura 10. Estructura del in borato en solucin

1.3.3.Reticulantes. Son auxiliares que se utilizan para mejorar las propiedades fsicas de un

acabado y actan uniendo las diversas molculas de acabado entre s para mejorar la solidez al

frote hmedo aunque al mismo tiempo empeoran las flexiones y la elasticidad.[14]

En la tabla 6 se encuentran los reticulantes biodegradables ms utilizados.
http://es.wikipedia.org/wiki/Vidriohttp://es.wikipedia.org/wiki/Pintura_(material)http://es.wikipedia.org/wiki/Preservantehttp://es.wikipedia.org/wiki/Fertilizante_foliarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Fertilizante_foliarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Preservantehttp://es.wikipedia.org/wiki/Pintura_(material)http://es.wikipedia.org/wiki/Vidrio


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Tabla 6. Listado de agentes reticulantes

Reticulantes Usos Industriales

cido tnico Se emplea sobre todo en el curtido del cuero, en la industriatextil es comomordientepara fijar los colores en las fibras.

Azufre

Se usa en la fabricacin deplvora y elvulcanizado delcaucho,

adems se usa comofungicida y en la manufactura desulfatos

fertilizantes.

Glutaralhedo

Es unpotentebactericida y se usa como desinfectante en fro de

equipo mdico y cientfico que es sensible al calor, incluyendo

los instrumentos de dilisis y de ciruga. En la industria del

cuero se usa como agente curtidor y es un componente de

lquidos deembalsamamiento.

1.3.3.1.cido tni co. Es un polmero de cido glico y glucosa, se presenta de forma natural

como glucsido en agallas, corteza de algunos rboles como la Encina y el Abeto y otras partes

de la planta.

Es un polvo amorfo, ligero, blanco-amarillo, de sabor astringente no amargo, se descompone a

210 C, es soluble enagua. Tiene varias aplicaciones como: mordiente, en fotografas, en

tintas, para galvanizado, para galvanoplastia, para el curtido de pieles, como reticulante, entre

otros.
http://es.wikipedia.org/wiki/Cuerohttp://es.wikipedia.org/wiki/Mordientehttp://es.wikipedia.org/wiki/P%C3%B3lvorahttp://es.wikipedia.org/wiki/Vulcanizadohttp://es.wikipedia.org/wiki/Cauchohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fungicidahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fosfatohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fertilizantehttp://es.wikipedia.org/wiki/Bactericidahttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%A1lisishttp://es.wikipedia.org/wiki/Cirug%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Curtiembrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Embalsamamientohttp://es.wikipedia.org/wiki/Embalsamamientohttp://www.ecured.cu/index.php/Aguahttp://www.ecured.cu/index.php/Aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Embalsamamientohttp://es.wikipedia.org/wiki/Curtiembrehttp://es.wikipedia.org/wiki/Cirug%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%A1lisishttp://es.wikipedia.org/wiki/Bactericidahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fertilizantehttp://es.wikipedia.org/wiki/Fosfatohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fungicidahttp://es.wikipedia.org/wiki/Cauchohttp://es.wikipedia.org/wiki/Vulcanizadohttp://es.wikipedia.org/wiki/P%C3%B3lvorahttp://es.wikipedia.org/wiki/Mordientehttp://es.wikipedia.org/wiki/Cuero


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Figura 11. Estructura del cido tnico

1.3.3.2.Glutaraldehdo. Es un compuesto qumico del grupo de los aldehdos, conocido

tambin como 1,2 diformilpropano, es un lquido dialdehdo aliftico de bajo peso molecular,

incoloro y de olor picante, es soluble en agua y en solventes orgnicos como el etanol, el

benceno y el ter, en agua es ligeramente acido, emana olores txicos.

Tiene una alta capacidad para preservar la estructura celular, por lo que es el fijador de

referencia para observacin de ultraestructuras celulares con el microscopio electrnico, se

utiliza para elaborar biocidas.

Figura 12. Estructura del glutaraldehdo


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21

1.3.4.Apl icaciones de biopelculas. ''Las biopelculas de protenas se pueden utilizar para la

elaboracin de empaques, los cuales pueden consumirse con el alimento, extienden la vida til

de los alimentos (controlan el desarrollo microbiano), disminuir el contenido de aceite de

alimentos sometidos a fritura, mejoran las propiedades de barrera controlando as el

intercambio gaseoso (vapor de agua, O2, CO2), mejoran las caractersticas organolpticas y

nutricionales, mantienen la textura de los alimentos, y permiten regular condiciones de interfase

o superficiales (pH, antioxidantes, agentes antimicrobianos, nutrientes).''[15]

1.3.5.Caracterizacin de las pelcul as biodegradables

1.3.5.1.Caracteri zacin mecnica-ensayos de traccin. Los plsticos generalmente se

encuentran sometidos a fuerzas o cargas durante su utilizacin, por lo que los materiales usados

como empaque deben brindar proteccin mecnica a los productos para mantenerlos ntegros

durante el proceso de produccin y transporte. sta razn hace esencial conocer las

caractersticas y el comportamiento mecnico de dichos materiales.

''El comportamiento mecnico de los materiales se describe a travs de sus propiedades

mecnicas, indica la relacin existente entre la fuerza aplicada y la respuesta del material, es

decir, su deformacin, y ofrece una prediccin del comportamiento del material al ser sometido

a condiciones de esfuerzo que podran ocurrir durante el procesamiento, manejo y

almacenamiento del material'' ( Calister, 1996; Park y cols., 2002 )

La resistencia a la traccin se puede definir como el esfuerzo que un material puede resistir

antes de su rotura por estiramiento desde ambos extremos bajo condiciones especificadas de

temperatura, humedad y velocidad.

El ensayo de traccin consiste en someter al material en una probeta normalizada a un esfuerzoaxial de traccin creciente como se muestra en la figura 13 hasta que se produzca la rotura de la

probeta. Dicho ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza esttica o aplicada

lentamente.


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22

Figura 13. Probeta y mordazas

Figura 14. Mquina para el ensayo de traccin

Recuperacin elstica

La recuperacin elstica mide la extensin a la cual una sustancia recupera sus dimensiones

originales luego de retirado el esfuerzo, por ejemplo un material completamente elstico

tiene una recuperacin del 100 %, mientras que un material perfectamente plstico no tiene

recuperacin elstica.

Mdulo de elasticidad

El mdulo de elasticidad o mdulo de Young es la razn de esfuerzo a la deformacin o el

esfuerzo por unidad de deformacin medido dentro de los lmites de la deformacinreversible.

(2)

Donde:

Y: es el mdulo de Young, Pa.

: es el esfuerzo por unidad de rea sobre la seccin inicial
http://3.bp.blogspot.com/-0XIyJC-Lopc/TgjA7lWnmwI/AAAAAAAAAgo/N7ZvxeA9BVs/s1600/tracci%C3%B3n5.JPG


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23

: es la deformacin unitaria en cualquier punto

Resultados del ensayo de traccin: Nos presenta como resultado el esfuerzo (relacin de la

carga sobre el rea de la seccin transversal inicial) y se expresa en Pa (pascales) o en kg/cm2, y

la extensin o aumento en longitud que se expresa en porcentaje del largo inicial.

1.3.5.2.Ensayos fsicos

Espesor. Es el grosor de las pelculas de protenas secadas al ambiente, el cual se mide con

un micrmetro.

Humedad. Es la cantidad de agua libre en la pelcula de protena, y sta medida permite

determinar el peso seco de la pelcula.

Permeabilidad al vapor de Agua. ''La permeabilidad de vapor de agua se define como la

velocidad de transmisin de vapor de agua por unidad de rea del material y por unidad de

diferencia de presin entre dos superficies especficas bajo determinadas condiciones de

temperatura y humedad.''(Escobar D y cols., 2012).

Permeabilidad.''La permeabilidad de una membrana indica la facilidad con la que una

sustancia se mueve a su travs.'' (Lincoln Taiz, Eduardo Zeiger y Fisiologa Vegetal, 2004).

''La primera Ley de Fick de la Difusin, es usada para describir la premeacin de un gas a

travs de una lmina.'' (Mallikarjunan y cols., 2002).

(3)

Dnde:

J: es el flujo o cantidad de permeante difundido por unidad de rea y tiempo

D: es el coeficiente de difusin del gas a travs de la lmina.

: es el gradiente de concentracin a travs del espesor z de la lmina.

Si consideramos el D constante y las lminas homogneas, al integrar se tiene:


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24

(4)

Dnde:

Q: es la cantidad de gas difundido

A: es el rea de la lmina

t: es el tiempo

El coeficiente de permeabilidad es producto del coeficiente de difusin y el coeficiente de

solubilidad.

(5)

Dnde:

P: es el coeficiente de permeabilidad.

S: es el coeficiente de solubilidad

Una combinacin de la ecuacin (4), (5), y la ley de Henry que dice q a una temperatura

constante la cantidad de gas disuelto en un lquido es directamente proporcional a la presin

a la presin parcial que ejerce ese gas sobre el lquido, Dando como modelo matemtico que

describe la permeabilidad la siguiente ecuacin:

(6)

Solubilidad. ''La solubilidad en agua es una propiedad importante que se relaciona con el

uso que podr tener la pelcula comestible; por ejemplo si se desea que proporcione

resistencia a la humedad e integridad al alimento se preferir que la pelcula sea insoluble,

mientras que una pelcula soluble se requiere sobre todo si la pelcula va a contener algn

ingrediente especifico como por ejemplo las capsulas que contienen medicamento en

polvo.''(Prez-Gago y cols, 199).

''La solubilidad de una sustancia se puede describir como la cantidad de la sustancia que se

mantiene en solucin con valores de presin y temperatura dadas.''(Annimo, 2004b)


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25

1.3.5.3.Ensayos de biodegradabili dad

Biodegradabilidad.La biodegradabilidad es la capacidad intrnseca que tiene una sustancia

para ser transformada en una estructura qumica ms simple por va microbiana (bacterias,

hongos, gusanos e insectos), de los cuales los ms importantes son las bacterias aerobias. Locontrario corresponde a sustancias no biodegradables, como plsticos convencionales, latas,

vidrios que no se descomponen o desintegran, o lo hacen muy lentamente.

El hecho que una sustancia pueda ser degradada o descompuesta no implica que es

biodegradable, ya que existen procesos qumicos y fsicos que pueden producir degradacin

de ciertas sustancias, sin que intervengan organismos vivos. Existen varios productos

artificiales que son biodegradables, pero otros (insecticidas organoclorados y detergentes

"duros") son muy resistentes a la accin bacteriana, mientras el vidrio y las latas no son

biodegradables segn el lmite de tiempo que impone el concepto de biodegradabilidad que

generalmente es de menos de 20 meses.

''El crecimiento de los microorganismos degradadores depende de varios factores como la

presencia de nutrientes suficientes, la disponibilidad de humedad, oxgeno, temperatura y pH

idneos. Por su parte, la biodegradabilidad tambin depende de la complejidad del

compuesto a degradar y del microorganismo utilizado. No existen organismos especializados

para cada tipo de sustancias.''(Morn y Morn & Espinosa Marvn, 2008)

La biodegradacin se puede presentar tanto en condiciones aerobias (bacterias, hongos, algas

y plantas superiores) como anaerobias (bacterias):

''Biodegradacin aerobia: en presencia de oxgeno suficiente y otros nutrientes

elementales, los organismos degradan los contaminantes orgnicos hasta convertirlos

finalmente en dixido de carbono (CO2), agua (H2O) y nueva biomasa celular. En la

Bioestimulacin es comn la inyeccin del agua junto con los nutrientes y oxgeno disuelto,

que favorezca el proceso. En algunas ocasiones y para microorganismos concretos

(estreptococos de aguas residuales) se puede aadir perxido de hidrgeno disuelto, que dar

lugar al oxgeno para que ste acte como aceptor final de electrones.'' [16]

''Biodegradacin anaerobia: en ausencia de oxgeno (condiciones anaerobias), los

contaminantes orgnicos son metabolizados hasta metano (CH4) y cantidades limitadas de

dixido de carbono (CO2) e hidrgeno molecular (H2).


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El CO2y CH4son considerados como los indicadores de cantidad de sustrato utilizado por

los microorganismos, en procesos de biodegradacin y es la base para los estndares ASTM,

ISO, EN, y OECD para medir la biodegradabilidad de las sustancias qumicas. [17]

1.4.Fundamento de una biopelcula elaborada a base de gelatina y alcohol poli vinlico.

''El PVA es un polmero que posee una estructura relativamente simple, donde el monmero

presenta un grupo hidroxilo. Este grupo es el que reacciona con los carboxilos de los residuos

de cido glutmico y cido asprtico presentes en la cadena polipeptdica mediante un proceso

de esterificacin formando uniones covalentes.'' (Andrea Porcaro Y Julio A. Deiber.2011).

1.5.Resultados de la caracterizacin de las pelculas elaboradas a base de protenas.

A continuacin se muestran resultados de las propiedades de las pelculas elaboradas a partir de

diferentes gelatinas u otra protena para una posterior comparacin.

En la Figura 15 se muestran resultados de pelculas elaboradas a partir de la modificacin de la

protena aislada de soya (SPI) combinada con un reticulante genipin (Gen) [1R, 2R, 6S)-2-

hidroxi-9-(hidroximetil)-3-oxabiciclo [4.3.0] nona-4 ,8-dieno-5-carboxilato de metilo ],y con la

glicerina como plastificante. En la misma se observa como la cantidad de Gen utilizado influye

en las propiedades de las pelculas.


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FUENTE:GONZLEZ, Agustn , STRUMIA, Miriam Cristina y ALVAREZ IGARZABAL, Cecilia Ines. Cross-linked soy protein as material for

biodegradable films: Synthesis, characterization and biodegradation. Departamento de Qumica Orgnica. Facultad de Ciencias Qumicas, Universidad

Nacional de Crdoba. Argentina. 2011.

Figura 15. Resultados de caracterizacin de pelculas a base de protena SPI


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2. MARCO EXPERIMENTAL

2.1. Materiales y equipos

4 Vasos de precipitacin R: 1500 ml

Balanza analtica R: 200g A0,0001 g

Estufa R:0-220 C A0,1 C

Reverbero

Agitador magntico R: 1600RPM R: 100% de calentamiento Agitador de vidrio

Cernideros

Papel filtro

Papel aluminio

Bistur

Pie de rey R: 20 cm A0,002cm

Pipetas mecnicas R: 10 ml A0,01 ml

Cmara de humedad Vol: 59 cm3

Ph metro R: 0-14 A0,1

2.2. Sustancias y reactivos

4 kg de patas de pollo

Hidrxido de sodio (s) NaOH

cido clorhdrico, 37 % HCl Agua destilada H2OAgua desionizada H2O

Slica gel (s) SiO2

Plastificantes:

Alcohol polivinlico (s) (-[CH2CH(OH)]n-)

Glicerina (l) C3H3O3

Brato de sodio decahidratado (s) Na2B4O7*10H2O


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Reticulantes:

cido tnico (s) C76H52O46

Glutaraldehdo (l) OHC(CH2)2CHO

2.3. Obtencin de gelatina a partir de patas de pollo

2.3.1.Pruebas preliminares para la obtencin de gelati na. Se realizaron varias pruebas en

donde se utiliz un medio cido para obtener la gelatina, el cual es el mismo procedimiento que

el de la obtencin en medio bsico. Despus se utiliz un medio bsico y con ste se consigui

obtener gelatina. Estas pruebas se pueden apreciar en la Tabla 9, en donde se puede observar de

forma detalladala cantidad y la concentracin de soluciones utilizadas para la obtencin de

gelatina.

2.3.2.Procedimiento final para la obtencin de gelatina de patas de poll o por medio bsico

a) Recepcin de la materia prima

Se recept la materia prima, posterior a esto se procedi a limpiar las patas de pollo con agua

potable con el fin de eliminar restos de sangre y cualquier otra materia extraa que interfiera

con el producto final.

b)Desengrasamiento de las patas de pollo

En este paso se procedi en primer lugar a trocear las patas de pollo adems se retir las

uas. Posterior a esto se lavaron y se pesaron las patas de pollo. Despus se prepar una

solucin de Hidrxido de Sodio 0,25 M y se coloc en las patas de pollo lo cual facilit lahidrlisis de la grasa, y adems facilit la desnaturalizacin del colgeno. El NaOH se lo

dej durante 6 horas a temperatura ambiente.

c) Extraccin de Gelatina

Se prepar una solucin de HCl 0,3 M y se coloc en las patas de pollo para lograr un pH de

8, luego se procedi a la extraccin de la gelatina en agua durante 3 h a una temperatura de

80

C.


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d)Filtracin y concentracin

Se filtr la gelatina obtenida en caliente y se continu calentando para concentrar la solucin

durante una hora ms y se dej enfriar hasta que se form un gel.

e) Laminacin y secado

Se lamin el gel y se lo coloc en papel aluminio para el secado, y se lo dej a temperatura

ambiente durante 4 das.

2.3.3. Diagrama de fl ujo

Figura 17. Diagrama de flujo de la obtencin de gelatina de patas de pollo en medio bsico


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2.3.4.Pruebas primales

Humedad. Dicho ensayo se realiz en el laboratorio de Ciencias Qumicas de la Universidad

Central del Ecuador, con el mtodo AOAC 925.10.

Cenizas. El ensayo se realiz en el laboratorio de Ciencias Qumicas de la Universidad

Central del Ecuador con el mtodo AOAC 923.03

Protena. El ensayo se realiz en el laboratorio de Ciencias Qumicas de la Universidad


Grasas. El ensayo se realiz en el laboratorio de Ciencias Qumicas de la Universidad


2.4. Elaboracin de biopelculas mediante evaporacin de agua

2.4.1.Pruebas prel iminares para la obtencin de biopelculas.

a) Seleccin de concentraciones de gelatina a utilizar en un volumen determinado. Se

realizaron varias disoluciones con gelatina y agua para poder determinar la cantidad de

gelatina mxima que se podra solubilizar en 12 ml de agua. Esto solo se realiz visualmente

y se observ la dificultad para disolverse con esa cantidad de agua determinndose que la

cantidad mxima que se disolva eran 4 g de gelatina. Es decir que se puede preparar una

solucin de gelatina de una concentracin mxima del 33,33 %.

b) Tipo de molde para la elaboracin de las biopelculas. Se utilizaron cajas Petri en lascuales el desmoldado fue sencillo. Sin embargo, estas cajas eran muy pequeas por lo que se

construyeron cajas de acrlico de 15X15 cm y 3 cm de altura que proporcionaban el tamao

requerido de las pelculas para posteriores ensayos con las mismas.

c) Tipo de plastificante. Para la seleccin del tipo o los tipos de plastificantes a utilizar se

elaboraron varias pelculas como se muestra en la tabla 11 en donde en primer lugar se

utiliz nicamente un plastificante (glicerina, alcohol polivinlilo, brax, cido tnico o

glutaraldehdo) para cada pelcula para as poder apreciar las caractersticas que ste nos


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ofreca. A continuacin se realiz una combinacin entre los plastificantes y reticulantes, y

se eligi visualmente a la pelcula que brind las mejores caractersticas de elasticidad y

resistencia. De la tabla 12 se observa que la mejor combinacin de plastificantes con la

solucin de gelatina es la que contiene glicerina y alcohol poli vinlico.

2.4.2. Var iables y parmetros considerados para la experimentacin. Como resultado de las

pruebas preliminares realizadas, se lleg a establecer los parmetros especificados en la tabla 7,

como las mejores condiciones para la obtencin de la biopelcula.

Volumen de la solucin de plastif icante:El volumen para trabajar en la elaboracin de las

pelculas biodegradables se defini de 100 mL en las cajas de acrlico.

Volumen de solucin de gelatina:Se utiliz un volumen de solucin de gelatina de 82,8 ml.

Volumen de alcohol polivinli co:Se utiliz un volumen de solucin de PVA de 13,79 ml

Volumen de gli ceri na:Durante toda la experimentacin se defini un volumen de glicerina

de 3.44 ml.

Temperatura de la mezcla:Se ha determinado que la temperatura de la mezcla ser entre 60-65 C ya que as se obtuvo una pelcula ms homognea.

Ti empo de mezcla:Se determin 10 minutos de mezclado.

Las pelculas elaboradas bajo estas condiciones fueron secadas en cajas de acrlico de 3 cm de

alto y de 15 x15 cm a una temperatura ambiente de 20C y durante 72 h.


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Tabla 7. Parmetros considerados para la elaboracin de biopelculas

Variables Cantidad Unidad

Volumen de la solucin

para la elaboracin de la

biopelcula

100 Mililitros

Volumen de la solucin

de gelatina

82,8 Mililitros

Volumen de glicerina 3,44 Mililitros

Volumen de alcohol poli

vinlico

13,79 Mililitros

Tiempo de mezclado 10 Minutos

Temperatura de mezclado 60 C

Temperatura de secado 20 C

Las variables del proceso de elaboracin de biopelculas las constituyen la concentracin de

solucin de gelatina y la concentracin de solucin de alcohol polivinlico que se explican en el

diseo experimental en la tabla 8.

2.5. Diseo experimental para la elaboracin de las biopelculas

2.5.1.Definicin de factores y niveles considerados. Despus de definir las variables y

parmetros a utilizar en toda la experimentacin, se procedi a elegir un modelo experimental

que permita determinar las condiciones para optimizar propiedades fsicas mecnicas y


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biodegradables de las biopelculas. Se utiliz un diseo factorial nx, en donde n son los factores

y x son los niveles, las variables que se utilizaron para la materia prima fueron 2 y los factores

fueron 2 por lo que el diseo factorial elegido fue 22 con tres puntos centrales y puntos axiales,

donde se estudi la influencia de dos variables llamadas factores ( concentracin de Gelatina y

concentracin de plastificante) y se considera dos niveles en cada uno. De sta forma se puede

determinar una combinacin de niveles de los factores que afectan en la formacin de la

pelcula.

Para el desarrollo de este diseo se utiliz el programa STATGRAPHIC CENTURION XVI,

con la metodologa superficie de respuesta se pudo modelar la respuesta (propiedades) en

funcin de las variables, con el objeto de conseguir las mejores propiedades fsicas y mecnicas.

En la figura 18 se muestra un esquema del diseo factorial 22, que muestra en los ejes las

variables a utilizar.

Figura 18. Esquema del diseo experimental

Las variables a analizar fueron:

Concentracin de Alcohol Polivinlico (%)

Concentracin de gelatina (%)

Los niveles utilizados fueron dos: alto y bajo.


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La tabla 8 muestra el diseo experimental que se llev a cabo con las variables a analizar y los

niveles aplicados.

Tabla 8. Definicin de factores y niveles

Factores Nivel Bajo Nivel Alto

%P/V de alcohol

polivinlico5 10

%P/V de gelatin 8,33 25

El nivel bajo fijado en en alcohol polivinlico se lo realiz experimentalente, y el nivel alto de

alcohol polivinlico se lo realiz por estudios anteriormente realizados por Mendieta-Taboada,

Oscar; Sobral, Paulo Jose do A; Carvalho, Rosemary A; Habitante, Ana Mnica Q. B del tema

ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES TERMOMECNICAS DE PELCULAS

BIODEGRADABLES A BASE DE MEZCLAS DE GELATINA Y PVA, en donde se indica

que en concentraciones mayores al 10 % de alcohol polivinlico puede haber separaciones de

fases en las pelculas elaboradas a partir de gelatina y PVA.

Los tratamientos generados con dicho diseo experimental se muestran en la tabla 13, en donde

se generan nueve pelculas diferentes, teniendo a M9, M9 y M9 como punto central, las

cuales presentan la misma composicin.

2.5.2.Procedimiento para la elaboracin de pelculas biodegradables. Se combin el alcohol

polivinlico y la glicerina de la siguiente manera: Se calent 82,8 ml de agua destilada en un

vaso de precipitacin y se disolvi cierta cantidad de gelatina, despus se aadi 3,44 ml deglicerina y 13,79 ml de alcohol polivinlico a cierta concentracin, se agit durante 10 min a una

temperatura de 60 C, se coloc en una caja petri y se dej secar al ambiente a (20 C), durante

72 h.De sta forma se consigui una pelcula con mejores propiedades y se la utiliz como base

para partir con la realizacin del diseo experimental.En la figura 19 se explica el

procedimiento para la elaboracin de las pelculas.


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Las pelculas secas de 2,5x 2,5 cm se colocaron en 80 ml de agua desionizada, a 20 C con una

agitacin de 100 rpm durante una hora, posteriormente se filtr y se coloc en la estufa a 40 C

hasta que est seca y luego a 105C hasta que tenga un peso constante .Se realizaron ensayos

por duplicado de cada tipo de pelcula.

(8)

2.6.4.Permeabil idad al vapor de agua. Se basa en la norma ASTM-E96 /96-M05 con las

condiciones de 75% HR a una temperatura de 25 C. Para esto se utiliz una cmara de

temperatura y humedad contralada con una solucin saturada de cloruro de sodio.

La muestra de prueba se sell en la boca abierta de un tubo de ensayo que contena 2 g de slica

gel (desecante) en el fondo, se pes peridicamente para determinar la tasa de vapor de agua de

circulacin a travs de la muestra. Se hicieron los ensayos por duplicado de cada tipo de

pelcula.

La permeabilidad al vapor de agua se obtuvo mediante la ecuacin tomada de la tesis de grado

de Mnica del roco Bracho Bastidas, 2004.

(9)

Donde:

WVP es la permeabilidad al vapor de agua en (g* .

WVTR es la pendiente de la curva (g/h) sobre el rea expuesta de la lmina (g/h*.

S es la presin de vapor de agua a la temperatura del ensayo (MPa) (T= 20 C).

HR2 es la humedad relativa de la cmara con solucin de cloruro de sodio saturada (HR2= 75

%).

HR1es la humedad relativa en el interior de la celda (HR1=0%).

Z es el espesor en (m).


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2.6.5.Ensayo de biodegradabil idad. Se basa en el artculo Cross-linked soy protein as material

for biodegradable films: Synthesis, Characterization and Biodegradationde la revista Journal

of Food Engineering, y en el cual se realiz lo siguiente:

Para el ensayo de Biodegradabilidad se procedi a cortar las pelculas de 2,5 cm x 2,5 cm de

todas las muestras, se pesaron cada una de ellas y se colocaron en recipientes cerrados con tierra

parcialmente hmeda. En stos recipientes se trat de generar dos ambientes que permitan la

degradacin aerobia y anaerobia de las pelculas, se las dej por 8, 24, 36 y 48 horas, despus

se lavaron y se limpiaron las pelculas, y se colocaron en la estufa hasta que queden

completamente secas para posteriormente pesarlas.

2.6.6.Ensayo de traccin-deformacin en un senti do. ste ensayo se realiz en la Escuela

Politcnica Nacional en el Laboratorio CIAPmediante la norma ASTM D882, y se reliz bajo

las siguientes condiciones.

Velocidad: 500 mm/min

''Gauge Length'': 48,70 mm

Separacin entre mordazas: 48,70 mm

Temperatura de ensayo: 18 C


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3. DATOS

3.1. Pruebas realizadas para la obtencin de la materia prima (gelatina).

En la tabla 9 se aprecian las concentraciones de cido y de base utilizadas para obtener la

gelatina.

Tabla 9. Pruebas preliminares para la obtencin de gelatina a una temperatura de 80 C y

3 horas de extraccin

3.1.1. Datos para el clculo del r endimiento d

bioplastico de colageno de pollo

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