WO2020136612A1

WO2020136612A1 - Material compuesto a partir de afrecho de yuca para la fabricación de recipientes y envases biodegradables

Info

Publication number: WO2020136612A1
Application number: PCT/IB2019/061394
Authority: WO
Inventors: Elsa Susana Cajiao Buitrón; Alcy René Cerón Mosquera; Hector Samuel VILLADA CASTILLO
Original assignee: Universidad Del Cauca
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2020-07-02
Also published as: CO2018014376A1

Abstract

La presente invención está relacionada con la elaboración de un material compuesto moldeado a partir de una mezcla de afrecho de yuca y fibras naturales y puede ser usado como recipiente o envase en la industria de alimentos preparados con bajos contenidos de humedad, tales como, frutos secos, productos de panadería y pastelería, semillas, entre otros, al igual que al igual que macetas, floreros, entre otros tipos de productos de la industria de la jardinería y viveros., con agitación constante manual o mecánica.

Description

MATERIAL COMPUESTO A PARTIR DE AFRECHO DE YUCA PARA LA FABRICACIÓN DE RECIPIENTES Y ENVASES BIODEGRADABLES

CAMPO DE LA INVENCIÓN.

La presente invención está relacionada con novedosos métodos para la obtención de recipientes de tipo biodegradable, en especial, la fabricación de recipientes para alimentos a partir de fibras naturales.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN.

Los problemas ambientales originados por los materiales plásticos derivados del petróleo empleados para la fabricación de envases, han motivado el desarrollo de nuevos materiales cuya degradación sea rápida y que genere aportes positivos para el medio ambiente, entre estos resaltan los plásticos biodegradables (Kale et al., 2007).

De las materias primas naturales empleadas para el desarrollo de plásticos biodegradables, el almidón es el de mayor interés, debido a que es extraído directamente de cereales, tubérculos, raíces y otros, sin necesidad de síntesis, que lo hace económico; además que es renovable, biodegradable y de fácil transformación a diversos productos (Mensitieri et al., 201 1 ; Zhou et al. ,2009).

Las investigaciones relacionadas con el desarrollo de plásticos biodegradables a partir de almidón se han concentrado principalmente en empaques, sobre todo en la obtención de películas, bolsas y recipientes (Janssen y Moscicki, 2009). En el tema de recipientes, la obtención de materiales biodegradables a partir de almidón para la producción de envases rígidos para alimentos, tales como bandejas y platos, sigue siendo un reto para los científicos y la industria (Mensitieri et al., 201 1 ).

Los envases y recipientes elaborados con almidón tienden a ser frágiles y débiles frente a esfuerzos e impactos. Una de las formas de disminuir los inconvenientes del almidón e incrementar su resistencia mecánica, es por medio de la combinación del almidón con fibras naturales en materiales denominados compuestos o compósitos (Satyanarayana, Arizaga y Wypych, 2009; Yu, Dean y Li, 2006). Algunas de las fibras empleadas han sido obtenidas a partir de lino, yute, palma de aceite, madera de diversos árboles, entre otras (Wollerdorfer y Bader, 1998; Sobezak, Brüggemann y Putz, 2013).

Uno de los primeros reportes en cuanto al desarrollo de materiales compuestos de almidón y fibras naturales para uso en recipientes, corresponde a Tiefenbacher (1993) quien propuso un proceso para la elaboración de bandejas espumadas de almidón. Una mezcla de almidón, fibras de plantas, aditivos alimentarios y agua era inyectada en el interior de moldes calientes para la obtención de las bandejas.

Glenn, Orts y Nobes (2001 ) emplearon un proceso de termo-prensado para estudiar las propiedades funcionales de espumados elaborados de almidón, fibras naturales y carbonato de calcio. La densidad de los espumados disminuyó y se incrementó la deformación en flexión al incorporar fibras de madera suave en la formulación. La resistencia en flexión de los espumados se aumentó apreciablemente al emplear una relación 5:1 almidón/fibra.

Shogren, Lawton y Tiefenbacher (2002) probaron varios almidones modificados y aditivos en la obtención de platos moldeados mediante termo-prensado. La adición de fibras de madera suave aumento la resistencia de los platos. Particularmente, las bandejas obtenidas de almidón de papa, PVOH, fibra de álamo y citrato de monoesterilo, presentaron la flexibilidad y resistencia al agua conveniente para su uso en contenedores para alimentos.

Lawton, Shogren y Tiefenbacher (2004) prepararon bandejas mediante moldeo por prensado y calentamiento, a partir de almidón de maíz adicionando fibra de álamo en diferentes porcentajes (2,5 al 45%). La resistencia mecánica de las bandejas se incrementó gradualmente al aumentar la incorporación de la fibra natural hasta un 15%, luego de ese valor no se obtuvo un incrementó mayor en la resistencia.

Soykeabkaew Supaphol y Rujiravanit (2004) elaboraron bandejas espumadas de de compósitos de almidón con fibras de yute y lino. El esfuerzo y el módulo de elasticidad en flexión de las bandejas se incrementó apreciablemente al incluir las fibras en contenidos entre el 5 al 10%. El aumento de las propiedades mecánicas de las bandejas fue atribuido a la fuerte interacción entre las fibras y la matriz de almidón.

Salgado et al. (2008) fabricaron bandejas a partir de almidón de yuca, proteína de girasol y fibras de celulosa, mediante un proceso de termo-prensado. El incremento en concentración de la fibra, desde 10 a 20%, aumentó las propiedades mecánicas de las bandejas y redujo ligeramente el contenido de humedad post-prensado, no obstante la capacidad de absorción de agua se incrementó, esto último pudo ser reducido con la incorporación de la proteína de girasol. Vercelheze et al. (2012) estudiaron el efecto del almidón de yuca, fibras de bagazo de caña y montmorillonita, en la elaboración y propiedades de una bandeja biodegradable obtenida mediante termo-prensado. La adición de las fibras y la montmorillonita resultó en una disminución de la densidad y de la rigidez de las bandejas.

Kaisangsri, Kerdchoechuen y Laohakunjit (2014) caracterizaron bandejas espumadas obtenidas a partir de almidón de yuca combinado con zeína, gluten, proteína de soya, fibra kraft y aceite de palma. El esfuerzo de flexión y compresión de las bandejas se aumentó al incorporar la fibra kraft, la zeína y el gluten.

Cruz-Tirado et al. (2017) evaluaron el efecto de la adición de fibras de bagazo de caña en las propiedades físicas y mecánicas de bandejas espumadas de almidón de oca. Bajas concentraciones de la fibra redujeron la densidad de las bandejas, no incrementaron la resistencia en flexión del producto; no obstante, generaron bandejas más duras y deformables. Altas concentraciones de la fibra permitieron la obtención de bandejas más compactas con una menor capacidad de absorción de agua.

Una de los primeras patentes que se encuentra en cuanto al uso de almidón y fibras naturales para la fabricación de recipientes corresponde a la patente W01991012186A1 (1991 ), en la cual se presenta un proceso para la elaboración de productos moldeados por termo-prensado a partir de almidón para uso en copas, platos, bandejas y recipientes para comidas rápidas, en la que dentro de los componentes de la formulación se menciona el uso de materiales derivados de la celulosa y fibras vegetales para aumentar la estabilidad mecánica de los productos.

En la patente W01996012606A1 (1996) se describen diversas composiciones y métodos para la elaboración de materiales espumados de almidón reforzado con fibras, que pueden ser empleados para la fabricación de contenedores y envases para bebidas y alimentos. Lo particular de la invención es la utilización de un sistema para fluidos que permite la dispersión homogénea de fibras largas en la matriz de almidón, lo que permite la obtención de formas estables y resistentes.

La patente US5500089A (1994) describe un método para la elaboración de bandejas y platos a partir de fibras naturales combinadas con agua y almidón, procesadas mediante prensado en moldes calientes. La patente US5660900 (1997) muestra las composiciones, métodos y sistemas para la manufactura de artículos, particularmente contenedores y empaques, a partir de almidón con un alto contenido de componentes inorgánicos de relleno, en los cuales puede emplearse fibras naturales para mejorar la resistencia. Los artículos son elaborados mediante el uso de moldes calientes y presión.

En la patente US5662731 (1997) aparecen reportados materiales elaborados con agua, almidón gelatinizado y fibras de longitud mayor a 2 mm, que se procesan mediante moldeo por termo-prensado, para obtener contenedores para alimentos y bebidas.

La invención incluida en la patente US7989524B2 (201 1 ) se relaciona con la elaboración de composiciones de almidón expandible reforzado con fibras naturales que se emplea para la manufactura de artículos moldeados, entre ellos envases y recipientes para alimentos. El proceso de elaboración se divide en dos fases: en la primera se obtiene una dispersión homogénea de la fibra en almidón gelatinizado y agua, en la segunda se combina la mezcla anterior con almidón, un plastificante y un polímero resistente al agua, para generar una mezcla termoplástica que se moldea para conformar los productos finales.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

En un primer objeto, la invención enseña un material compuesto basado en afrecho de yuca y fibras naturales para la producción de recipientes biodegradables para alimentos.

En un segundo objeto, la invención divulga el método de fabricación de recipientes para alimentos a partir de un material compuesto basado en afrecho de yuca y fibras naturales.

Los objetos anteriormente descritos, al igual que los objetos adicionales a que hubiere lugar, serán expuestos al detalle y con la suficiencia necesaria en el capítulo descriptivo que se divulga a continuación, el cual constituirá el fundamento del capítulo reivindicatorío.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención surge como respuesta a la necesidad de incorporar materiales compuestos a partir de fibras naturales para la fabricación de recipientes y envases para alimentos de bajo ocntenido de humedad, tales como, frutos secos, productos de panadería y pastelería, semillas, entre otros.

La descripción de la realización de la presente invención, no pretende limitar su alcance, sino servir como un ejemplo particular de la misma. Se espera que una persona versada en la materia comprenda que las modalidades equivalentes no se apartan del espíritu y alcance de la presente invención en su forma más amplia.

La presente invención reclama un material compuesto biodegradable a partir de afrecho de yuca y fibras naturales, el cual puede ser usado como contenedor o envase para alimentos con bajo contenido de humedad como productos de panadería y pastelería, frutas, semillas, entre otros. Adicionalmente, el material compuesto puede ser usado para la fabricación de macetas para viveros.

Este producto es apto para productos secos que se encuentren en temperaturas que oscilen entre 15^eC y 90°C.

El método de obtención del material comprende las etapas que se describen a continuación:

Obtención del afrecho de yuca:

El afrecho de yuca es un subproducto derivado de la extracción del almidón de las raíces de yuca previamente rayadas. Después del rayado de la yuca, se procede a colar o extraer el almidón de la pulpa o fibra, etapa en la que es generado el afrecho residual.

Existen dos alternativas para el uso del afrecho en la elaboración del material compuesto: afrecho húmedo (AH) con un contenido de humedad comprendido entre el 60 % y 70 %; afrecho secado al sol (AS) después de su obtención, con un contenido de humedad entre el 10% y 12 %.

El afrecho seco se muele y empaca para su respectivo almacenamiento.

Mezcla:

La mezcla puede ser elaborada a partir de afrecho húmedo o afrecho seco como se describe a continuación: Mezcla con afrecho húmedo: el afrecho se mezcla con glicerina que tiene un efecto plastificante en el material compuesto y con la inclusión opcional de fibra de origen natural, en las siguientes proporciones: entre el 50 %y 90 % p/p de afrecho húmedo, glicerina entre 2 % y 20 % p/p y fibra natural entre 5 % p/p y

20% p/p.

Esta mezcla posteriormente es llevada a un proceso de gelatinización por calentamiento, opcionlamente, haciendo uso de un recipiente metálico sometido al calor o de una mezcladora con calentamiento.

- Mezcla con afrecho seco: se mezcla afrecho de yuca seco como materia prima principal, agua (que en presencia de calor genera un proceso de gelatinización del afrecho), con la inclusión opcional de fibra natural que sirve como refuerzo en la matriz y glicerina que tiene un efecto plastificante en las siguientes proporciones: entre 50% p/p y 80% p/p de afrecho de yuca, agua entre 10% y 30% p/p, fibra natural entre 5% p/p y 20% p/p y glicerina entre 2 % p/p y 20 % p/p.

Posteriormente, se mezcla hasta alcanzar uniformidad en la muestra, se empaca en un recipiente herméticamente cerrado y se reserva hasta dar inicio al proceso de extrusión.

Gelatinización:

Esta etapa difiere si se usa afrecho húmedo o afrecho seco como se describe a continuación:

Gelatinización de la mezcla con afrecho húmedo: la mezcla con afrecho húmedo es depositada en un recipiente metálico u olla con la adaptación de aspas para el mezclado o se utiliza una mezcladora con calentamiento a una temperatura promedio de proceso entre 80 ^eC y 160 ^eC durante 10 a 30 minutos. La velocidad de giro de las aspas de mezclado se encuentra comprendida entre 20 rpm y 150 rpm.

- Gelatinización de la mezcla con afrecho seco: la mezcla con afrecho seco se lleva a un proceso de gelatinización a través de un extrusor de doble tornillo (tornillos con configuración estándar), a través de la cual se obtiene un cordón extruido, bajo una temperatura promedio de proceso entre 80 ^eC y 160 ^eC y una velocidad de rotación de los tornillos entre 30 rpm y 250 rpm. El cordón extruido es pelletizado en una picadora donde se obtienen pellets de 3 mm a 10 mm de largo y 3 mm de diámetro. Los pellets son almacenados en recipientes herméticamente sellados.

Moldeo por compresión de la mezcla gelatinizada:

A continuación, se describe el moldeo por compresión de la mezcla de afrecho gelatinizado por calentamiento y por extrusión.

Moldeo de la mezcla gelatinizada por calentamiento: transcurrido el tiempo de calentamiento y finalizado el proceso de gelatinización, se pesan porciones entre 20 g y 80 g de la mezcla, se dosifica en el molde, previamente calentado a una temperatura de 100 °C a 200 °C. Seguidamente, la placa superior del molde, se presiona con la placa inferior a una presión comprendida entre 10 bares a 80 bares, por un periodo de tiempo de 1 minuto a 10 minutos, aplicando alivios de presión cada 1 segundo a 10 segundos.

5.2 Moldeo de la mezcla gelatinizada por extrusión: la mezcla gelatinizada por extrusión y obtenida en forma de lámina, posteriormente es dispuesta en la placa inferior de la máquina de moldeo por compresión, se moldea por un periodo de 1 a 6 minutos a una temperatura entre 100 ^eC y 190 ^eC, bajo una presión de moldeo de 0 a 2 MPa. Se emplea un molde con la forma que se requiera de la cavidad, con un espesor de 1 mm a 4mm.

En la modalidad preferida de la invención, el material compuesto comprende glicerina como agente plastificante. No obstante, la glicerina puede ser reemplazada como agente plastificante como sorbitol, glicol, polietilenglicol, urea, maltosa, sacarosa, entre otros.

Entre las fibras que pueden encontrarse comprendidas dentro del material objeto de la invención, se encuentran las fibras extraídas de la estopa de coco, del tallo del cáñamo, de la hoja de piña, del vástago de plátano, de la cáscara de chontaduro, del bagazo de caña de azúcar, fibra y bagazo de fique, y cascarilla de café.

A continuación, se presentan una serie de ejemplos que ilustran la mejor forma de realización del presente objeto de la invención. EJEMPLO 1

La elaboración de recipientes biodegradables a partir de un material compuesto a base de afrecho de yuca con una humedad comprendida entre el 10 % y 12 % se describe a continuación:

El afrecho seco de yuca se recolecta en una planta de extracción de almidón, con un contenido de humedad comprendido entre el 10 % y 12 %. El afrecho, opcionalmente, se puede moler en un molino de martillos. El afrecho molido se empaca, opcionalmente, en bolsas de polietileno de baja densidad para su posterior almacenamiento.

Se mezcla en una mezcladora entre 50% p/p y 80% p/p de afrecho de yuca, agua entre 10% y 30% p/p, fibra natural entre 5% p/p y 20% p/p y glicerina entre 2 % p/p y 20 % p/p, por un periodo de tiempo de 10 minutos. La mezcla se deposita en un recipiente plástico herméticamente sellado hasta dar inicio al proceso de extrusión.

Posteriormente, se extruye la mezcla empleando un extrusor de doble tornillo (tornillos con configuración estándar), bajo una temperatura promedio de proceso que oscila entre 50 ^eC y 150 ^eC y una velocidad de rotación de los tornillos de 30 rpm a 250 rpm.

El cordón extruido es pelletizado en una picadora donde se obtienen, como manera de modalidad particular pero no restrictuva de la presente invención, pellets de 3 mm a 10 mm de largo y 3 mm de diámetro. Los pellets son almacenados en recipientes herméticamente sellados.

Se dispone de una máquina de moldeo por compresión con accionamiento hidráulico y acoplado a un sistema de control de temperatura, tiempo y presión. Se cuenta con un molde, dispuesto de una placa macho y una placa hembra, con una cavidad en forma de bandeja. Los pellets extruidos se pesan en porciones de 20 g a 60 g y posteriormente se dosifican en la cavidad del molde y se procede a moldear por un período entre 1 a 6 minutos a una temperatura entre 1 10 ^eC y 200 ^eC, bajo una presión de moldeo de 5 bares a 80 bares.

La pieza moldeada se caracteriza por presentar una coloración marrón oscura, de superficie lisa y homogénea. EJEMPLO 2.

La elaboración de recipientes biodegradables a partir de un material compuesto a base de afrecho húmedo de yuca con una humedad comprendida entre el 50 % y 80 % se describe a continuación:

El afrecho húmedo de yuca se recolecta en una planta de extracción de almidón, con un contenido de humedad comprendido entre el 50 % y 80 %. El afrecho es recolectado inmediatamente después de la etapa de colado en el proceso de extracción del almidón de yuca.

El afrecho se empaca, opcionalmente, en bolsas de polietileno de baja densidad.

Se mezcla en una mezcladora entre el 50 %y 90 % p/p de afrecho húmedo, glicerina entre 2 % y 20 % p/p y fibra natural entre 5 % p/p y 20% p/p, por un periodo de tiempo de 10 minutos.

La mezcla se deposita en una olla, con un sistema de mezclado por aspas adaptado a este recipiente. Posteriormente, la mezcla se somete a calentamiento y, simultáneamente, se mezcla a una velocidad de giro de las aspas entre 20 rpm y 150 rpm, durante un periodo de tiempo de 10 a 30 minutos.

Se pesan porciones de 20 g y 80 g de la mezcla gelatinizada, se dosifica en la cavidad del molde instalado en una prensa hidráulica, previamente calentado a una temperatura de 100 °C a 200 °C. En seguida, la placa superior del molde, se presiona con la placa inferior a una presión comprendida entre 5 bares a 80 bares, por un periodo de tiempo de 1 minuto a 10 minutos, aplicando alivios de presión cada 1 segundo a 10 segundos.

Se cuenta con una cavidad de molde en forma de bandeja. La pieza moldeada se caracteriza por presentar una coloración blanca almendra, de superficie lisa y homogénea.

EJEMPLO 3.

La caracterización de las propiedades mecánicas de la matriz de los recipientes obtenidos se llevó a cabo de la siguiente forma: Se realizó una prueba de flexión en tres puntos haciendo uso de una máquina universal de ensayos (Marca Shimadzu, Modelo EZ - L, Japón, Serie No. 346-54909-21 ), y de un accesorio para el ensayo de flexión, bajo los lineamientos de la norma ASTM D710-10 con una velocidad de cabezal de 1 mm/min y celda de carga de 500N. Previamente a la prueba, las muestras fueron acondicionadas durante 8 días a una humedad relativa de 50 + 5% y 23 + 2°C (ASTM D618-08).

Tabla 1. Propiedades mecánicas y térmicas de los recipientes biodegradables

Tabla 2. Composición del material compuesto a base de afrecho seco.

Tabla 3. Composición del material compuesto a base de afrecho húmedo.

En consecuencia, las propiedades mecánicas y térmicas aportadas por el material compuesto objeto de la invención, permiten que los recipientes y envases biodegradables fabricados a partir de dicho material, sean susceptibles de aplicación en diferentes tipos de industria, tales como la industria de alimentos, cultivo de plantas, viveros, entre otras. Aunque la presente invención ha quedado descrita con las realizaciones preferentes mostradas, queda entendido que las modificaciones y variaciones que conserven el espíritu y el alcance de esta invención se entienden dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1 . Material compuesto para la fabricación de recipientes y envases biodegradables, caracterizado porque comprende:

Afrecho de yuca;

Fibra natural.

2. Material compuesto para la fabricación de recipientes y envases biodegradables de la reivindicación 1 caracterizado porque el Afrecho de yuca se encuentra entre 50% a 90% p/p.

3. Material compuesto para la fabricación de recipientes y envases biodegradables de la reivindicación 1 caracterizado porque la Fibra natural se encuentra entre el 5% al 20% p/p.

4. Material compuesto para la fabricación de recipientes y envases biodegradables de la reivindicación 1 caracterizado porque la fibra natural se selecciona entre fibra de coco, tallo de cáñamo, hoja de piña, vástago de plátano, cáscara de chontaduro, bagazo de caña de azúcar, fibra de fique, bagazo de fique y cascarilla de café.

5. Material compuesto para la fabricación de recipientes y envases biodegradables de la reivindicación 1 caracterizado porque comprende, además, glicerina como plastificante.

6. Material compuesto para la fabricación de recipientes y envases biodegradables de la reivindicación 1 caracterizado porque comprende, además, un plastificante seleccionado del grupo conformado por sorbitol, glicol, polietilenglicol, urea, maltosa o sacarosa.

7. Material compuesto para la fabricación de recipientes y envases biodegradables, según las reivindicaciones 1 , 5 y 6 caracterizado porque el plastificante se encuentra entre entre 2 % al 20 % p/p.

8. Recipiente biodegradable elaborado a partir de un material compuesto a base de afrecho de yuca caracterizado porque comprende: a) afrecho de yuca con un contenido de humedad del 10 % al 12 %;

b) Agua entre 10 % y 30 % p/p;

c) glicerina entre 2 % al 20 % p/p;

d) fibra natural entre el 5 % p/p y 20% p/p.

9. Método de obtención de un material compuesto biodegradable para la fabricación de recipientes y envases, caracterizado porque comprende las etapas de: mezclar afrecho de yuca, fibra natural y glicerina;

gelatinizar la mezcla mediante calentamiento;

moldear la mezcla gelatinizada mediante compresión y calentamiento.

10. Método de obtención de un material compuesto biodegradable para la fabricación de recipientes y envases, caracterizado porque comprende las etapas de: mezclar afrecho de yuca, agua, fibra natural y glicerina; gelatinizar la mezcla mediante extrusión por tornillo doble;

pelletizar los cordones extruidos;

moldear los pellets mediante compresión y calentamiento.

1 1. Método de obtención de un material compuesto biodegradable para la fabricación de recipientes y envases según la reivindicación 10, caracterizado porque la gelatinización de la mezcla se realiza mediante calentamiento, a una temperatura comprendida entre 50 °C y 100 °C, por un tiempo de calentamiento de 10 a 20 minutos, con agitación constante manual o mecánica.