Desarrollo de cubertería biodegradable a base de cáscara de huevo y almidón de papa como alternativa a los utensilios de un solo uso elaborados con polímeros sintéticos. Proyecto de investigación

Abstract

RESUMEN : En un contexto global de crecientes desafíos medioambientales, debido al gran impacto negativo que está sufriendo el planeta, como por ejemplo la contaminación a causa de polímeros sintéticos, especialmente de utensilios de un solo uso. Los polímeros sintéticos utilizados en estos utensilios generan residuos los cuales toman varios años para degradarse, además, liberan sustancias tóxicas tanto en el proceso de fabricación, como en el tiempo que toman en degradarse. Por otro lado, La producción mundial de plástico se ha duplicado en las últimas tres décadas, contribuyendo al 3.4 % de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. Es por esto que este proyecto busca desarrollar una formulación a base de cáscaras de huevo y almidón de papa como alternativa a los polímeros sintéticos en la fabricación de cubertería biodegradable. Para ello, se extrajo y caracterizó el almidón de papa y el polvo de cáscara de huevo, ambos provenientes de desechos del sector terciario. Para obtener el almidón, las cáscaras de papa se trituraron, se dejaron reposar y se filtraron, mientras que, para el polvo de cáscara de huevo, las cáscaras se lavaron, secaron y se sometieron a molienda. Posteriormente, se formularon 10 composiciones diferentes utilizando estos materiales, junto con carboximetilcelulosa, y se prepararon muestras que fueron secadas y sometidas a un tratamiento térmico a diversas temperaturas, donde se obtuvieron varias muestras, según la composición y el tratamiento térmico al que fue sometida. Se seleccionaron 6 muestras para su posterior análisis, evaluando su tiempo de degradación en tierra y agua, así como sus propiedades mecánicas y de mojabilidad mediante el uso de una máquina universal de ensayos. Para los resultados obtenidos, en el proceso de caracterización espectroscópica se registró el espectro de absorción UV-vis en el rango de 200 a 400 nm, detectando picos característicos del almidón, comparados con estudios previos que muestran un pico característico entre 230 y 300 nm. Se obtuvo un pico en 250 nm, coincidiendo con estos estudios. Se prepararon composiciones con cáscara de huevo y almidón de papa en una proporción de 2:1, con cáscara tamizada y sin tamizar, y se añadió carboximetilcelulosa (CMC) en concentraciones del 1% y 10% del peso de la cáscara. Se agregó agua para ajustar la viscosidad, observándose que las mezclas con más CMC requerían más agua. Se seleccionaron las mejores composiciones para evaluar su degradación, resistencia a la compresión y otras propiedades. Las muestras cilíndricas se secaron a 70°C durante seis horas. El tratamiento térmico inicial no fue satisfactorio, por lo que se ajustaron los parámetros, aumentando los tiempos de sostenimiento y temperaturas. Sin embargo, estos ajustes tampoco lograron los resultados deseados debido a la descomposición de los polímeros a altas temperaturas. Finalmente, se optó por tratamientos térmicos a 100°C y 300°C. Las pruebas de degradación en agua y tierra mostraron diferentes tasas de degradación según el tamaño de partícula y la cantidad de CMC. Las muestras con mayor cantidad de CMC y partículas más finas mostraron mejor resistencia mecánica y menor degradación. En tierra, las muestras 6 y 5B se degradaron completamente en siete días. Las pruebas de resistencia a la compresión indicaron que las muestras tenían un comportamiento similar al de un material cerámico, principalmente debido al carbonato de calcio en la cáscara de huevo. Se realizó un análisis de varianza para evaluar la influencia de diferentes variables en la resistencia a la compresión, sin encontrar diferencias significativas. Para fabricar los utensilios biodegradables, se evaluaron cuatro métodos de moldeo: impresión 3D, colado en moldes de yeso, alginato y silicona, siendo este último el más efectivo. Se solucionaron problemas de sedimentación y formación de burbujas reduciendo la cantidad de agua y utilizando jeringas para llenar los moldes. Finalmente, se realizaron pruebas de mojabilidad, observando un ángulo dinámico en algunas muestras, indicando absorción inmediata del agua debido a la superficie porosa del material, teniendo una buena respuesta la muestra 8 A, debido a que mostró un comportamiento hidrofóbico.

ABSTRACT : In a global context of growing environmental challenges due to the significant negative impact the planet is experiencing, such as pollution caused by synthetic polymers, especially single-use utensils. The synthetic polymers used in these utensils generate waste that takes several years to degrade, and they release toxic substances both during the manufacturing process and over the time it takes to degrade. Additionally, the worldwide production of plastic has doubled in the last three decades, contributing to 3.4% of global greenhouse gas emissions. This is why this project aims to develop a formulation based on eggshells and potato starch as an alternative to synthetic polymers in the manufacture of biodegradable cutlery. To achieve this, potato starch and eggshell powder, both sourced from tertiary sector waste, were extracted and characterized. To obtain the starch, potato peels were crushed, left to rest, and filtered, while for the eggshell powder, the shells were washed, dried, and ground. Subsequently, 10 different compositions were formulated using these materials, along with carboxymethylcellulose (CMC), and samples were prepared that were dried and subjected to thermal treatment at various temperatures, resulting in several samples based on composition and thermal treatment. Six samples were selected for further analysis, evaluating their degradation time in soil and water, as well as their mechanical properties and wettability using a universal testing machine. For the obtained results, during the spectroscopic characterization process, the UV-vis absorption spectrum was recorded in the range of 200 to 400 nm, detecting characteristic peaks of starch, compared with previous studies showing a characteristic peak between 230 and 300 nm. A peak at 250 nm was obtained, coinciding with these studies. Compositions were prepared with eggshell and potato starch in a 2:1 ratio, with sieved and unsieved shell, and carboxymethylcellulose (CMC) was added in concentrations of 1% and 10% of the shell weight. Water was added to adjust the viscosity, and it was observed that mixtures with more CMC required more water. The best compositions were selected to evaluate their degradation, compression resistance, and other properties. The cylindrical samples were dried at 70°C for six hours. The initial thermal treatment was unsatisfactory, so the parameters were adjusted by increasing the holding times and temperatures. However, these adjustments also did not achieve the desired results due to the decomposition of the polymers at high temperatures. Finally, thermal treatments at 100°C and 300°C were chosen. The degradation tests in water and soil showed different degradation rates depending on particle size and the amount of CMC. Samples with higher CMC content and finer particles showed better mechanical resistance and less degradation. In soil, samples 6 and 5B completely degraded in seven days. The compression resistance tests indicated that the samples behaved similarly to a ceramic material, mainly due to the calcium carbonate in the eggshell. A variance analysis was performed to evaluate the influence of different variables on compression resistance, finding no significant differences. To manufacture the biodegradable utensils, four molding methods were evaluated: 3D printing, casting in plaster, alginate, and silicone molds, with the latter being the most effective. Sedimentation and bubble formation issues were resolved by reducing the amount of water and using syringes to fill the molds. Finally, wettability tests were conducted, observing a dynamic angle in some samples, indicating immediate water absorption due to the porous surface of the material, with sample 8A showing a good response due to its hydrophobic behavior.