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OBTENCIÓN Y Caracterización de películas biodegradables a base de almidón de maíz y queratina

Integrantes:Martha Sánchez RodríguezWilmer Asdrubal HernándezJefferson Velandia

Docente: PhD. Helia León

Docente: PhD. Helia León

Integrantes:Martha Sánchez RodríguezWilmer Asdrubal Hernández

Caracterización de películas biodegradables a base de almidón de maíz y queratina

8. Conclusiones

7. Resultados

6. Materiales y equipos

5. Análisis experimental

4. Estado del arte

3. Marco teórico

2. Objetivos

1. Justificación

ÍNDICE

DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

Colombia se destaca como el quinto productor avícola más grande de Latinoamérica, con una producción de 1,424,388 toneladas registradas en 2015. Sin embargo, este sector enfrenta desafíos significativos en relación con el impacto ambiental que generan sus operaciones. Un aspecto particularmente preocupante es el uso y desecho de plásticos de un solo uso, los cuales contribuyen significativamente a la contaminación ambiental. Además, existe una necesidad urgente de explorar alternativas más sostenibles a los materiales tradicionales, como los polímeros reforzados, que pueden tener un impacto menor en el medio ambiente.

¿Como es el proceso de obtención y caracterización de películas a base de almidón de maíz reforzado con queratina?

Especificos

General

Objetivos

Caracterizar estructural, morfológica y térmicamente las formulaciones obtenidas.

Caracterizar películas a base de almidón de maíz y queratina extraídas de plumas provenientes de residuos avícolas industriales.

Obtener películas con proporciones predeterminadas a base de almidón de maíz y queratina.

Extraer la queratina de las plumas provenientes de residuos avícolas.

Estudiar cualitativamente la biodegradabilidad de las formulaciones obtenidas.

La queratina, una proteína estructural fibrosa compuesta por varios aminoácidos como la glicina, cistina y cisteína, posee destacadas propiedades físicas y químicas. Su estructura bien ordenada contribuye a su resistencia a la tensión y su alta relación de aspecto (longitud/diámetro) permite una eficaz transferencia de carga de la matriz a la fibra. Estas características han llevado a la observación de mejoras significativas en las propiedades mecánicas de materiales compuestos a base de polímeros termoplásticos, como también un incremento en la temperatura de transición vítrea y una mejor estabilidad térmica evaluada por análisis termogravimétrico. Por otro lado, el almidón de maíz es un polímero de origen natural, ampliamente utilizado en la industria debido a su bajo costo, biocompatibilidad y biodegradabilidad. Su estructura molecular le brinda propiedades viscoelásticas únicas, lo que lo convierte en un excelente material para la fabricación de recubrimientos y películas.

JUSTIFICACIÓN

Teniendo en cuenta las propiedades destacadas de ambos materiales, se pretende combinar la queratina y el almidón de maíz para mejorar la película de almidón de maíz. La inclusión de queratina como plastificante natural en esta película no sólo podría mejorar sus propiedades mecánicas y térmicas, sino también la sostenibilidad del material. Por lo tanto, esta mezcla de queratina y almidón de maíz podría resultar en un material compuesto con propiedades mejoradas y un impacto ambiental reducido.

JUSTIFICACIÓN

Gelificación del maíz

Amilopectina

MARCO TEÓRICO

Amilosa

almidón

La beta-queratina no presenta cisteína, o lo hace en muy baja proporción, por lo tanto, contiene pocos entrecruzamientos intermacromoleculares a través de puentes disulfuro (cistina). Sin embargo, la queratina de tipo beta, presenta mayor proporción de plegamientos de forma lámina-β.

MARCO TEÓRICO

QUERATINA-B

Presenta en sus cadenas de aminoácidos residuos (monómeros) de cisteína, los cuales constituyen puentes disulfuro, lo que se denomina grupo cistina. Los puentes disulfuro proporcionan la rigidez y resistencia a la queratina alfa.

queratina-a

.La capacidad de transferencia de carga a través de los enlaces intermoleculares hace de las queratinas unos buenos biomateriales estructurales, con buenas propiedades mecánicas.

queratina

Solubilidad

Comportamiento a la llama y pirolisis

MARCO TEÓRICO

Flotabilidad y densidad estimada.

ANáLISIS PRELIMINAR

Apecto fisico

Ensayos de biodegradabilidad ASTM D6400

Calorimetría diferencial de barrido (DSC)

MARCO TEÓRICO

Análisis termogravimétrico (TGA)

Métodos instrumentales avanzados

Espectroscopía infrarroja (IR)

ESTADO DEL ARTE

José Llerena Gonzales y Lalo José Monzón

"Elaboración de un envase biodegradable a partir de almidón obtenido de arroz quebrado (oryza sativa), queratina obtenida de residuos avícolas (plumas) fortificado con residuos de cáscaras de mango (mangifera indica) "

"Queratina extraída de plumas de pollo y almidón obtenido deIpomoea batatas fortificado con mucílago de Opuntia ficus-indica para la obtención de bioplástico "

"Procesamiento de plumas de pollo para la obtención de queratina"

aGina A. Quintero-Curvelo, William A. Huertas-Díaz, Eduar Ortega-David

Bujahico Huertas, Karen Geanella

ESTADO DEL ARTE

Olajumoke D. Fagbemi, Bruce Sithole, Tamrat Tesfaye

"Optimization of keratin protein extraction from waste chicken feathers using hybrid pre-treatment techniques "

"Effect of ultrasound on keratin valorization from chicken feather waste: Process optimization and keratin characterization "

"Molecular design and experimental study of deep eutectic solvent extraction of keratin derived from feathers"

Yanhua Zhang, Shizhuo Wang, Zhiqiang Fang, Hao Li y Jing Fang.

Xiaojie Qin, Chuan Yang, Yujie Guo, Jiqian Liu, Johannes H. Bitter, Elinor L. Scott, Chunhui Zhang

Materiales y equipos

1- Extracción de queratina

análisis experimental

2- Obtención de peliculas

Materiales y equipos

  • Proceso
  • Formulación

3- Obtención de pelicula de almidón

Materiales y equipos

4- Analisis preliminar

  • Resultados esperados
  • Espectrofotómetro de IR

5- Espectroscopia infrarrojo (IR)

Es una técnica utilizada para estudiar las propiedades térmicas de los materiales

  • Resultados esperados (Almidon)

6- Análisis Termogravimétrico (TGA: Thermogravimetric Analisys)

  • Analizador termogravimétr ico
  • Resultados esperados
  • Equipo

7- Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC: Differential Scanning Calorimetry)

Alcance

Materiales y equipos

"Método de prueba estándar para determinar la biodegradación aeróbica de materiales plásticos en condiciones controladas de compostaje"

8- Biodegrabilidad norma ASTM D5338

RESULTADOS

Queratina extraída

F2: 69.3% A, 29.7% G y 1% Q

F3: 67.9% A, 29.1% G y 3% Q

F1: 70% A y 30% G

  • La extracción casera de queratina de fuentes naturales, como las plumas de pollo, puede ser un proceso efectivo y accesible. Se obtuvo éxito al extraer la queratina de las plumas y se pudo obtener un material de queratina para su posterior uso en aplicaciones diversas.
  • Las películas elaboradas a partir de almidón soluble con glicerina y diferentes porcentajes de queratina mostraron diferentes propiedades y características. A medida que se aumentó el porcentaje de queratina en las películas, se observaron cambios en su apariencia, resistencia y flexibilidad.
  • La adición de queratina a las películas de almidón soluble tuvo un impacto en sus propiedades mecánicas. Las películas con un mayor porcentaje de queratina mostraron mayor resistencia mecánica y rigidez, mientras que las películas con menor porcentaje de queratina conservaron su flexibilidad.

CONCLUSIONES

referencias

[1] Federación Nacional de Avicultores de Colombia. –Fenavi- (2015). Disponible en: http://www.fenavi.org/index.php?option=com_content. [2] Loja, G. (2015). Obtención de queratina a partir de plumas de pollo utilizando queratinasas producidas por Bacillus spp. Trabajo de grado Bioquímica Farmacéutica. Universidad Técnica de Machala. Unidad Académica de Ciencias Químicas y de la Salud. Ecuador. Disponible en: http://repositorio.utmachala.edu.ec/bitstream/48000/2829/3/CD000024-TRABAJO%20COMPLETO.pdf. [3] Salazar, M. (2013). Determinación del método para la obtención de queratina cosmética a partir de plumas gallináceas. (Trabajo de grado Químico Farmacéutico). Facultad de Ciencia, Universidad Central del Ecuador, Quito. [4] Kowata, K., Nakaoka, M., Nishio, K., Fukao, A., Satoh, A., Ogoshi, M., Takahashi, S., Tsudzuki, M., Takeuchi, S. (2012). Identification of a feather β-keratin gene exclusively expressed in pennaceous barbule cells of contour feathers in chicken. Gene, 542, p. 23-28.

referencias

[[5] Gallardo, M., Montaña, M., Valladolid, M. (2015). Dos procedimientos para el estudio de las plumas en microscopía óptica. Boletín de la Real Sociedad Española de Historia Natural. Sección biológica, 109, p 65-69.[6]«polisacárido». Diccionario de la lengua española. Consultado el 15 de agosto de 2017. «1. m. Quím. Hidrato de carbono formado por una larga cadena de monosacáridos; p. ej., el almidón, la celulosa y el glucógeno. »[7] «almidón». Diccionario de la lengua española. Consultado el 15 de agosto de 2017. «1. m. Hidrato de carbono que constituye la principal reserva energética de casi todos los vegetales y tiene usos alimenticios e industriales. [8] V. C. Castillo H, “IDENTIFICACIÓN DE MATERIALES DE PIEZAS POLIMÉRICAS EN PEPSI-COLA VENEZUELA C.A. PLANTA SAN PEDRO”, PASANTÍA, UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR, Sartenejas,2011.[9]¿Cómo convertir plumas de pollo en un producto rentable y sostenible? - aviNews, la revista global de avicultura”. aviNews, la revista global de avicultura. Accedido el 28 de agosto de 2023. [En línea]. Disponible: https://avinews.com/como-convertir-plumas-de-pollo-en-un-producto-rentable-y-sostenible/[10} Procesamiento de plumas de pollo para la obtención de queratina. Artículo de investigación UGC. Universidad Gran Colombia.

¡GRACIAS!

Equipos
Materiales

Se desarrollaron los modelos de proceso termoquímico que relacionan el diseño de extracción del hidrolizado de queratina y el rendimiento proteínico de las plumas de pollo sometidas a un pretratamiento híbrido de hidróxido de sodio, bisulfito de sodio y calor. Las condiciones óptimas de extracción fueron (1,78%) concentraciones de hidróxido de sodio y (0,5%) de bisulfito de sodio, (111 min) tiempo de reacción, y (87 °C) temperatura. El hidrolizado de queratina y el rendimiento proteico obtenidos a partir de las condiciones óptimas fueron del 68,29% y el 65,21%, respectivamente.

Equipos
Materiales

Caracterizada por presentar en sus cadenas de aminoácidos monómeros de cistina, los cuales forman puentes disulfuro aportándole dureza a la proteína, además de presentar la forma de hélice por los puentes de hidrógeno.

Propone una estrategia de regeneración de queratina a partir de plumas de pollo que combina ultrasonidos y reducción de cisteína (Cys) para la regeneración de queratina. En primer lugar, se exploró sistemáticamente el efecto de los ultrasonidos sobre la degradación de la pluma y las propiedades de la queratina basándose en la reducción de Cys. Los resultados mostraron que la disolución de la pluma mejoraba significativamente al aumentar tanto el tiempo como la potencia de los ultrasonidos, y que el primero tenía un mayor impacto en el rendimiento de la queratina. No se observó ningún daño notable en la estructura química y la estabilidad térmica de la queratina regenerada aumentando únicamente la potencia ultrasónica.El proceso óptimo reservó la integridad estructural de la queratina y la dotó de buena estabilidad térmica y solubilidad, por lo que tenía potencial para generar materiales de queratina de alto rendimiento a partir de pluma de pollo. El estudio investigó el efecto de los ultrasonidos en la queratina de la pluma de forma sistémica y propuso una estrategia alternativa ecológica para la regeneración de la queratina, que podría ser significativa para la utilización y valorización de los residuos de plumas.

Reactvios
Equipos
Materiales

Caracterizada por no presentar moléculas de cistina ni puentes de hidrógeno, convirtiéndose en una proteína inextensible. Es la disposición que adquiere la alfa queratina con el rompimiento de sus enlaces.

Se evaluó una forma de procesamiento de plumas para la obtención de queratina como alternativa de aprovechamiento en la industria cosmética. Para ello inicialmente se determinó el contenido proteico presente en las plumas de pollo de raza Cobb. Se obtuvo queratina mediante un proceso químico empleando diferentes proporciones de Sulfuro de sodio (Na2S) y Peróxido de hidrogeno (H2O2). Los resultados confirmaron que las plumas de pollos poseen un elevado contenido de proteína con alrededor de un 75,97%. Con el tratamiento químico de 3g de sulfuro y 2.5 ml peróxido, fue posible obtener el mayor rendimiento de proteína.

*Mucílago: Sustancia viscosa que se prepara disolviendo en agua materias gomosas.

La presente investigación tiene como objetivo obtener bioplástico a partir de la mezcla de queratina extraída de plumas de pollo, el almidón de Ipomoea batatas, y mucílago de Opuntia ficus-indica, así como determinar las características físicas de la queratina, definir la dosis optima, las propiedades mecánicas y la biodegradación del bioplástico. Las características físicas de la queratina extraída de plumas de pollo obtuvieron un rendimiento del 22%, una densidad de 1,174 g/m y viscosidad de 2,5 Cp. La dosis óptima para la generación de bioplástico fue de 25 gramos de almidón, 30 ml de queratina, 5 ml ácido acético, 5 ml de glicerina, 200 ml de agua destilada, 0,5 gramos de canela y 0,5 gramos de clavo de olor molido. Las propiedades mecánicas del bioplástico de tracción fueron de 0.429 MPa a una fuerza de 11.36 N y una deformación del 7.0278%. El porcentaje de reducción de la biodegradación del bioplástico fue de un 72,73% y 81,82% en suelo agrícola y en agua de mar un 72,73% y 54,55%. Se obtuvo un bioplástico que permite su biodegradación en 21 días.

Se prepararon algunos disolventes eutécticos profundos (DES) para degradar las plumas y extraer la queratina. Los cálculos realizados mediante métodos de química cuántica mostraron que los DES se consideraban tijeras moleculares con capacidad para romper los enlaces de hidrógeno iniciales y formar nuevos enlaces sólo cuando el cambio de energía libre de Gibbs para el proceso de degradación era ΔG < 0, es decir, la energía de enlace de hidrógeno ΔE < -0,3038 kcal/mol.

Equipos
Materiales

En la investigación se aplicaron métodos para la extracción de almidón y queratina, donde se determinó el rendimiento de obtención, donde se demostró que se puede conseguir rendimientos adecuados (35.24% y 8.29% respectivamente) para la elaboración de envases, se hicieron los experimentos por triplicado. Una vez obtenidos el almidón y queratina, se procedió a determinar las proporciones adecuadas para poder obtener láminas del bioplástico, se observó que las proporciones adecuadas de almidón y queratina fueron de 40gr y 4 ml respectivamente. Una vez obtenida la lámina del bioplástico se procedió a la caracterización con pruebas mecánicas para evaluar su comportamiento.Se evaluó las propiedades del bioplástico como: espesor, tracción, flexión, dureza, deformación, entre otros. Donde quedó demostrado que el bioplástico posee buenas propiedades para la elaboración de envases a escala pequeña. Se consiguió construir un modelo de envase a escala pequeña con el bioplástico previamente caracterizado.