Proyecto Introduccin .docx

Introduccin a la Bioingeniera

Produccin de polilactato a partir de almidn de papa: Procesos de hidrlisis, purificacin y polimerizacin

Mtra. Mnica SilvaDr. Carlos Eduardo Gmez

Ian Galicia Pimentel A01184068 Diana Gonzlez Fonseca A01184069 YetzemanyHuitrn Contreras A01183759 Omar Lpez Navarrete A01183761Fernando Salazar Cruz A01184246

Descripcin breve

Nuestra propuesta consiste en producir un plstico orgnico basndonos en el almidn de la papa, su transformacin a glucosa y fermentacin a lactato, para finalmente construir un polmero que cumpla con las caractersticas de un plstico de origen petroqumico. Asimismo se busca que mediante la utilizacin del bioplstico, se reduzca el tiempo de degradacin en comparacin con los plsticos convencionales, y que adems funja como recurso renovable y viable comercialmente. Esto resultar en una alternativa ecolgica donde despus de la vida til de dicho plstico, los residuos puedan reutilizarse o incorporarse a la biomasa.

Objetivo General

Evaluar la produccin de plsticos con materiales biodegradables como una alternativa sustentable para reducir su tiempo de degradacin y cubrir un porcentaje del mercado insatisfecho del polipropileno.

Objetivos Especficos

1. Considerar el uso de almidn para la produccin de bioplsticos.2. Comprender la formacin de polmeros a travs de materiales orgnicos.3. Evaluar la rentabilidad de un bioplstico suponiendo su desarrollo en Mxico.4. Estimar el tiempo en que un bioplstico se degrada y las condiciones necesarias para esta degradacin.5. Proponer al bioplstico como alternativa del polipropileno de inyeccin en la industria.

Alcance

Al concluir el presente proyecto se tendr una extensa comprensin acerca de la produccin de un plstico basado en polmeros provenientes del almidn de la papa. Este bioplstico tiene como finalidad la sustitucin del polipropileno inyectado usado en la industria de envases, es por ello que a pesar de que esta investigacin es meramente terica, puede llegar a desempearse como base para un proyecto de distribucin de plsticos biodegradables a pequea escala en el rea del Estado de Mxico. Justificacin

La razn de este proyecto se deriva del vertiginoso enflaquecimiento de las reservas mundiales de petrleo, pues este, adems de usarse para la produccin de combustible, es materia prima para la produccin de plsticos de todo tipo (PET, polister, polipropileno, pvc), de modo que el proyecto adquiere un carcter global y de uso cotidiano, ya que adems de ser una alternativa sustentable, es una alternativa inteligente, responsable y necesaria a futuro. En la actualidad, lidiar con desechos plsticos es todo un reto, debido a que stos tardan en degradarse hasta 100 aos en el caso de una simple bolsa de plstico, as que es necesario encontrar y potencializar procesos alternos.

Antecedentes

Existen proyectos anteriores que desarrollaron materiales resistentes y biodegradables que pueden sustituir al plstico en algunas de sus formas. Una compaa italiana llamada Novamont Spa desarroll un material llamado Mater-Bi derivado del almidn de miz. El xito de este novedoso material se refleja en la creacin de bolsas de plstico y envolventes de comida. En definitiva este es un gran paso para los productos biodegradables, pero los materiales sintticos an predominan excesivamente sobre stos.La Pontificia Universidad Catlica del Per desarroll un plstico a base de diversas fuentes de almidn como la yuca y el camote, cuyo proceso de elaboracin consiste en someterlo para que forme cido actico, adicionando quitina (polisacrido encontrado en paredes celulares de hongos y en el esqueleto de artrpodos) y carragenano (estructura de celulosa en paredes celulares de ciertas algas) para as brindar estructura al material.Otro ejemplo es el de el aditivo d2w de la Red Symphony International que se aade al polietileno del plstico al que se desea convertir en un plstico oxo biodegradable durante su fabricacin. El d2w contiene un catalizador que rompe las largas cadenas moleculares en los polmeros del plstico al que se agrega, reduciendo su peso molecular y volvindola molcula frgil e hidrfila lo cual garantiza su capacidad para degradarse. Una de sus caractersticas importantes es que su vida til es programable (puede durar desde 6 meses hasta 5 aos), empiezan a descomponerse en presencia de oxgeno (se oxida) y los microorganismos que estn en el ambiente colonizan los residuos de baja masa molecular causando que los componentes de lo que era el plstico se convierten en Agua, CO2 y biomasa.

Introduccin

La presente investigacin inicialmente buscaba fundamentar la teora para acortar el tiempo de degradacin de los neumticos, mediante el uso de neumticos hechos a base de almidn; la investigacin por s misma llev a descubrir que el proceso de vulcanizacin incinerara al almidn, ya que ste es incapaz de soportar temperaturas mayores a 150C que se aplican en el proceso. Adems se descubri que no exista un enlace lo suficientemente fuerte para unir el almidn al caucho para que conservara las propiedades de seguridad que un neumtico convencional requiere.

Como consecuencia, se opt por redireccionar la investigacin hacia los bioplsticos, conservando el enfoque de la produccin a partir del almidn, que adems asegura gran parte de degradacin sin riesgo de toxicidad.

En la actualidad la forma ms usada para crear plsticos degradables es aadiendo el aditivo oxo-biodegradable a los plsticos convencionales con lo cual el perodo de degradacin de una bolsa pasa de 100 a slo 10 u 8 aos. Este aditivo ayuda a que el material al que es agregado se desintegre en menos tiempo. Sin embargo, el problema recae en el tipo de material que es empleado para la elaboracin de estos plsticos, pues estos ltimos resultan tener ciertos grados de toxicidad, tal es el caso del polietileno que es usado en la elaboracin de bolsas de supermercado. Estos efectos no se haban tomado en cuenta pues no se haba logrado una degradacin de plstico en un tiempo corto y no se haban estudiado las consecuencias que trae consigo el uso de este tipo de materiales.

Una de las alternativas para poder eliminar este problema es usar polmeros de origen natural como lo es la celulosa o el almidn. De esta manera no solo se garantiza la degradacin de gran parte del material sino que tambin se elimina la toxicidad generada por los materiales usados anteriormente, as como la posibilidad de usar pequeos animales (insectos)para lograr una degradacin al 100% de los residuos.

Proceso metodolgico

Obtencin de polilactato a partir de almidn de la papa, teniendo como objetivo producir al mes 15.25 toneladas de polilactato que equivalen al 1% del mercado insatisfecho del polipropileno de inyeccin en el Estado de Mxico. Nota: Explicacin del proceso con 1kg de papa.

1. Extraccin del almidnEl proceso inicia cuando el kilo de papa pasa por un lavado, en el cual se limpia la capa externa de las papas. Despus, las papas se pelan usando un pelador industrial de papas. Posteriormente, las papas peladas se muelen para obtener una masa, la cual se traslada a una criba vibratoria a la que se agrega agua para extraer el almidn. El almidn pasa a una tina de decantamiento, en donde el almidn asciende al fondo. Finalmente el agua es retirada de las tinas y el almidn pasa por un tubo de secado para as tener 150 g de almidn independiente.

2. HidrlisisLa hidrlisis enzimtica por accin de la enzima alfa-amilasa produce una hidrlisis parcial produciendo maltosa, glucosa y dextrina. El almidn obtenido en el proceso anterior se somete a este tipo de hidrlisis en la cual, por cada solucin de 4 ml de almidn al 2% a 37C se le agrega 200ul de la enzima alfa-amilasa. Este proceso se maximiza a los 150 g de almidn obtenido, y ya que el rendimiento de la enzima alcalina es del 60%, nos da como resultado 90 g de glucosa solamente.

3. FermentacinPor medio de una fermentacin homolctica en presencia de la bacteria lactobacyllusplantarum la glucosa se transforma en lactato, no obstante, los parmetros de la bacteria de 97.3% nos permiten tener nicamente 87.57g de lactato. En la fermentacin homolactica el nico producto final es el acido lctico. La ecuacin de esta fermentacin es la siguiente:Glucosa + 2 ADP + 2 Pi -------> 2 cido lctico + 2 ATP4. PurificacinLa fermentacin homolctica puede dar lugar a una mezcla de cidos cuando existe una concentracin de glucosa limitante, cuando se eleva la temperatura o cuando se fermentan azcares diferentes a los de la glucosa. La purificacin del lactato es difcil debido a la alta afinidad del cido por el agua y a su baja volatilidad.Para purificar al lactato pasa por un proceso de purificacin mediante una cromatografa por intercambio inico, con un rendimiento del 70% que da como resultado 61.299g de lactato puro.

5. PolimerizacinPara crear un polmero, el lactato puro necesita polimerizarse. Esto se lleva a cabo mediante una polimerizacin aninica, con parmetros del 95%, lo que nos da como resultado 58.24g de polilactato.

En ella, el lactato puro sufre una deprotonacin del hidrgeno (remover el catin hidrgeno) situado en alfa con respecto al grupo carbonilo. Tras este equilibrio cido base, el carbanin generado, realiza un ataque sobre el grupo carbonilo de otro monmero, inicindose as la polimerizacin. La ventaja de este tipo de polimerizacin es que el polmero solo contiene tomos procedentes del monmero y no de un iniciador.

6. Produccin para su venta

Ahora bien, si se pretende producir al ao 183 toneladas de polilactato, para sustituir el 1% del mercado insatisfecho de polipropileno de inyeccin en el Estado de Mxico, este proceso se debe de maximizar a gran escala. Esto significa que al mes se tiene que producir 15.25 toneladas de polilactato, lo que equivale a 260.6 toneladas de papa al ao.

Si se pretende producir a esta escala, es necesario un excelente abastecimiento de materias primas, como lo son las papas, las alfa-amilasas, las cepas de bacterias, entre otras; y tambin equipo y contenedores suficientes para llevar a cabo el proceso industrial.

Diagrama de Bloques

Degradacin del bioplastico

Un aspecto importante a remarcar es que nuestro bioplstico tiene la caracterstica de degradarse en un lapso de tiempo considerablemente menor al de un plstico de origen petroqumico. La degradacin del bioplastico o biodegradacion de nuestro producto se entiende como la degradacin de las molculas orgnicas en metano y biomasa principalmente por medio de microorganismos.

Ventajas del producto

Sociales De crearse una nueva empresa, se generaran empleos. Por otro lado, la sustentabilidad del producto repercutira positivamente en las siguientes generaciones. Se usan procesos tecnolgicos existentes y comprobables Ambientales Se reducira el uso de recursos naturales no renovables, como los materiales fsiles. En consecuencia, habra una reduccin considerable de basura. Posible reduccin de fsiles de carbn en el ciclo de vida del producto. Beneficios adicionales a travs de la biodegradabilidad. Fsicas Las caractersticas fsico-mecnicas a la que puede ser sometida un polilactato funciona tan bien como la de un plstico formado a base de recursos fsiles.Econmicas Ofrecen nuevos potenciales para la industria de la agricultura. La materia prima del bioplastico juega un papel muy importante en la fabricacin de los bioplsticos, y con ellos, la agricultura obtiene todo un nuevo mercado de alimentos. Se abre un nuevo tipo de negocio, que funciona como alternativa a los plsticos petroqumicos.

Desventajas del producto

Sociales En caso de que el producto tuviera un xito ideal en una empresa nueva, aquellas que producen o comercializan plsticos creados a partir de recursos fsiles se veran perjudicados.

Econmicas La recuperacin econmica depende del dinamismo propio del pas donde se quiera implementar. En el caso de Mxico la inversin no se reflejara prontamente en las ganancias.

Fsicas En contacto con el agua llega a ablandarse, limitando su funcionalidad. La durabilidad est limitada por la descomposicin eventual del producto.

Descripcin de equipos e instrumentos

Tanques de almacenamiento de lquidos: sern necesarios, debido a que en la mayor parte del proceso se estar trabajando con disoluciones, estn elaborados con materiales resistentes tanto a cidos como a agua. Mquina de pelado:Tiene la capacidad de procesar 2 toneladas de papa por hora, como resultado final obtenemos. Mquina de lavado: Puede procesar la misma cantidad de papa que la anterior, asegura una buena limpieza de nuestra materia prima. Tanques de almacenamiento slidos: Los usaremos para poder manejar con mayor facilidad los desechos y las papas cortadas y peladas. Secador de almidn: Para que se pueda llevar a cabo un tamizado se necesita que el almidn seco, este equipo puede secar de 270-400 Kg de almidn hidrolizado por hora. Tamiz Industrial: Con esto nos aseguramos que las molculas de almidn estn en su estado fisco puro.

Esterificador (Biorreactor 2): Se usar para la polimerizacin del lactato dndonos como resultado el poli lactato que ser nuestro producto final. Cromatografo inico: Servir para poder obtener un cido lctico con una mayor pureza (60%) Este equipo tiene una capacidad de procesar 150 litros por hora. Birreactor: Capacidad de 250L, se utilizarn tanto en la fermentacin como en la polimerizacin. Estos procesos no otorgan un rendimiento del 100%. Centrifugadora: Esta ser utilizada para separar las molculas slidas (almidn) para poder trabajar y separar las impurezas de nuestra materia prima gracias al tamao de las molculas, presin de agua y filtrado de gravedad. Transporte: Debido a la demanda que cubriremos tenemos que trabajar con 15.75 toneladas de papas al mes por lo que optamos por adquirir un tracto-camin con doble remolque para que en un viaje podamos tener la materia prima del periodo mensual.

Inversin Fija: Equipos o instrumentos que solo se compran una vez

Bioreactor Centrfuga Beckman Tanque de almacenamiento Tamiz Industrial Extractor mltiple Mquina d lavado y pelado Esterificador Cromatgrafo Transporte de carga

Inversin de operacin: materia prima e instrumentos que se compra mas de una vez

Tonelada de papa Consumo de gasolina por viaje - Amilasa de Aspergillus oryzae LactobacillusPlantarum Resinas del cromatografo

Metodologa y Clculos

La produccin de envases hechos de todo tipo de material en Mxico en 2011 fue de 10 millones de toneladas, de los cuales 2.64 millones de toneladas fueron envases hechos de plstico.

De los 2.64 millones de toneladas de envases de plstico, el 18.6% fueron hechos de polipropileno de toda clase de fabricacin, lo que equivale a 0.49 millones de toneladas. El Estado de Mxico es el segundo productor de plsticos de la republica mexicana, abarcando el 21% de la produccin nacional, por lo que de estos 0.49 millones de toneladas, 102,900 mil toneladas fueron fabricadas en el Estado de Mxico.

Ahora bien, de los envases hechos de todo tipo de plstico, se fabricaron en 2011 2.7 millones de toneladas. El plstico de inyeccin abarca el 11% de la produccin total, por lo que ese ao se produjo 289,080 toneladas de este. En 2011, Mxico produjo 289,080 toneladas de envases de plstico inyectado de todo tipo. El polipropileno inyectado abarco el 18.6% de la produccin nacional, por ende, se fabricaron 53768.8 toneladas de polipropileno inyectado y el Estado de Mxico produjo en 2011 11,291.4 toneladas de polipropileno de inyeccin.

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Al analizar la grafica tanto de la oferta como de la demanda del polipropileno de inyeccin en el Estado de Mxico, se puede notar que esta ltima es mayor que la oferta. Al calcular la diferencia entre la oferta y la demanda de estas graficas, tenemos un mercado insatisfecho de 18.3 millares de toneladas al ao en 2011.

Debido a que esta cifra es enorme para nuestra capacidad de produccin en nuestra fbrica de polilactato, abarcaremos solamente el 1% de este mercado, es decir, 183 toneladas al ao de polilactato se producirn para sustituir el 1% de la demanda.

Tomando en cuenta que el precio por tonelada en sacos del polipropileno es de 1850USD y que 183 toneladas valen 338,550USD, nuestra meta es calcular un costo ms bajo para las 183 toneladas de polilactato anuales, para as recuperar nuestra inversin y hacer de su venta un negocio rentable.

De acuerdo a la ganancia y los costos

Se gastan al mes $254,195 en27.1 toneladas de papa, el consumo de gasolina y la amilasa.1525 kg se producen en un mes.Entonces el costo del polilactato es de $5.46 por kilo. En dos aos a este precio se obtendran $3,985.8. Sumando el valor de toda la maquinaria es $2,492,357. Entonces estimamos un valor agregado al producto de $625.3 en un plazo de dos aos. Entonces por kilo se agregaran al precio $0.86. Quedando como precio por kilo de $6.32 en las condiciones de comercializacin ms optimas, pensando en recuperar la inversin a dos aos.

El precio por tonelada de polilactato producido sera de 6,320 MXN en comparacin al polipropileno 4100N de Fomosa que est en 1850 USD.

Anlisis de Mercado

Tomando en cuenta el encarecimiento progresivo del petrleo crudo, se considera que a largo plazo el mercado crezca (diez aos) y el producto sea ms rentable. En adicin, la posibilidad de que el petrleo se agote, crea la oportunidad de que el polilactato le remplace dentro de un par de dcadas. De acuerdo a un promedio entre varias fuentes, el petrleo se agotar alrededor del ao 2040. La industria de plsticos es estable por ahora, pero su decaimiento paulatino es evidente.

En este mercado, la nica competencia en la zona centro, y por tanto las industrias dominantes, son los productores de plstico a base de petrleo. Los modelos de negocios estn monopolizados, ya que la materia prima es el petrleo crudo, bajo en costo y duradero.

El tamao del mercado es la poblacin local que cuente con un salario por encima del mnimo, ya que el salario mnimo a decrecido en un 4.5% en los ltimos doce aos.Nuestra ventaja frente a la competencia es la cultura verde. La desventaja de nuestro proyecto con referencia a otras alternativas al plstico en otras partes del mundo es que ellos cuentan con inversin gubernamental y de empresas privadas con polticas ambientalistas. En Espaa, por ejemplo, Carrefour puso a la venta una bolsa ecolgica elaborada con un plstico equivalente al polilactato a 1 Euro y para reafirmar su compromiso con el medio ambiente la baj a .5 Euros. En adicin, el servicio provisto por estas otras empresas tiene la ventaja de la durabilidad, as como la tradicin en los habitantes.

El valor de un prstamo est dado por el grado de solvencia o capacidad de pago que se tenga al poner el producto a la venta. Hipotticamente tuviramos una empresa fija podramos obtener un Crdito gil Cobertura que puede ser de hasta 4 mdp, con Costo Anual Total promedio de 17.11% y plazos de 12 meses.

De acuerdo a la ganancia y los costos

Se gastan al mes $254,195 en27.1 toneladas de papa, el consumo de gasolina y la amilasa.1525 kg se producen en un mes.Entonces el costo del polilactato es de $5.46 por kilo. En dos aos a este precio se obtendran $3,985.8. Sumando el valor de toda la maquinaria es $2,492,357. Entonces estimamos un valor agregado al producto de $625.3 en un plazo de dos aos. Entonces por kilo se agregaran al precio $0.86. Quedando como precio por kilo de $6.32 en las condiciones de comercializacin ms optimas, pensando en recuperar la inversin a dos aos.

El precio por tonelada de polilactato producido sera de 6,320 MXN en comparacin al polipropileno 4100N de Fomosa que est en 1850 USD.

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