Materiales compuestos biodegradables con usos agronómicos a partir de raíces tuberosas

Abstract

En el presente trabajo de Tesis se desarrollaron y estudiaron materiales biodegradables y eco-compatibles a base de almidón de mandioca reforzadas con las fibras naturales provenientes del bagazo y la cáscara de la raíz, evaluando sus propiedades mecánicas, ópticas y de barrera. Considerando distintos plastificantes y aditivos para otorgar propiedades específicas a la matriz, así como técnicas de procesamiento. Por último se evaluó la potencialidad de los materiales obtenidos en aplicaciones agronómicas específicas como: cobertura de suelo y sistemas de liberación gradual de fertilizantes en la producción de plantines. Para ello fue preciso evaluar la estabilidad de los materiales frente a distintas condiciones de almacenamiento, así como su biodegradación en suelo y las distintas formas de utilización del material.A tal fin se procesaron raíces tuberosas de mandioca para la extracción de almidón y caracterizaron los subproductos: el residuo fibroso remanente (bagazo), además de la piel o cáscara. Estos subproductos se diferenciaron por su composición química, siendo mayor el contenido de proteína y fibra en la cáscara. El bagazo presentó una distribución heterogénea del tamaño de partículas, con una fracción importante (56 %) de partículas pequeñas (< 53 µm), constituidas principalmente por el almidón residual. Mediante la técnica de casting fue posible obtener películas a base de almidón de mandioca reforzadas con distintas concentraciones de relleno (0,75; 1,5 y 3% p/p) y glicerol como plastificante (0 - 35 %p/p respecto al contenido de almidón). Se caracterizó el comportamiento reológico de las suspensiones filmogénicas el que resultó pseudoplástico- tixotrópico. En todos los casos las micrografías SEM evidenciaron que la carga estaba estructuralmente incorporada en la matriz polimérica, indicando la compatibilidad química de los constituyentes. La compatibilidad entre los distintos constituyentes de la matriz se estudió a través de FTIR-ATR. Las películas obtenidas se caracterizaron evaluando principalmente sus propiedades ópticas, mecánicas y de barrera. Las concentraciones seleccionadas de plastificante y agente de refuerzo (25 g de glicerol/ 100 g de almidón y 1,5 % de bagazo de mandioca) resultaron del compromiso entre las propiedades mecánicas y de barrera del material. El agregado de bagazo no sólo mejoró la resistencia mecánica de las películas, evidenciando el refuerzo de la matriz, sino que contribuyó a la capacidad de barrera UV-visible de las mismas.El bagazo obtenido se tamizó, separándolo en diferentes fracciones de tamaño de partícula: F: < 500 µm; G: 500 - 250 µm; M: 250 - 53 µm; Y P: < 53 µm. Se estudió la morfología de las diferentes fracciones al SEM y la caracterización se completó por FTIR-ATR. El tamaño de partícula de relleno afectó las propiedades de los materiales compuestos. Las partículas de mayor tamaño (G) aumentan la capacidad de barrera UV-visible de la matriz, las de tamaño medio (M) mejoran el comportamiento mecánico propiedades mecánicas, y las partículas pequeñas (P) reducen la WVP. La incorporación del bagazo conteniendo todas las fracciones (F) presentó, como era de esperar, un comportamiento intermedio debido a la combinación de los efectos individuales de G, M y P en la matriz. Las películas reforzadas presentaron además capacidad de termosellado, el modo de falla (cerca del cierre) se atribuyó en todos los casos a la resistencia del sello. A través de estudios de biodegradación en suelo se demostró que en un plazo menor a 50 días las películas de almidón presentan un alto grado de degradación, siendo la cinética de biodegradación más lenta para las matrices reforzadas. La naturaleza biodegradable de las películas desarrolladas y su capacidad de termosellado son atributos importantes para el desarrollo de envases para aplicaciones específicas. Considerando la mayor opacidad, resistencia mecánica y menor velocidad de biodegradación en suelo se seleccionaron las películas biodegradables a base de almidón de mandioca reforzadas con 1,5 % de bagazo de la raíz y se evaluó su estabilidad bajo condiciones ambientales controladas simulando fotoperíodos regulares de luz UV-visible. Luego de 60 días de almacenamiento se observó que ambos materiales presentaron signos de envejecimiento aunque el efecto fue menor para aquellos reforzados con fibras. Además, dado que estos materiales podrían ser adecuados para cobertura de suelo de cultivos de ciclo corto, se estudió la estabilidad de las películas bajo condiciones ambientales reales, siendo este un avance que distingue al presente trabajo de Tesis. Con este fin se registraron las condiciones meteorológicas y se evaluaron los cambios estructurales de los materiales. Las películas empleadas lograron mantener la humedad del suelo durante el período estudiado, aunque las reforzadas con fibra habían sufrido una degradación mayor que aquellas sin relleno. Asimismo, la transmisividad PAR de las películas reforzadas no se modificó, lo cual resulta de particular interés para aplicaciones agronómicas.Por otra parte, fue posible obtener materiales compuestos a base de TPS por moldeo y termo-compresión reforzados con subproductos del procesamiento de mandioca: bagazo y cáscara, la que contenía mayores cantidades de fibra y proteína que el bagazo. Bajo las condiciones de procesamiento ensayadas las interacciones entre almidón y relleno se vieron favorecidas, disminuyendo la energía necesaria para la plastificación. Se demostró la compatibilidad entre la matriz y los diferentes rellenos por análisis de FTIR y TGA. Ambos subproductos refuerzan las matrices de TPS, a pesar de la baja concentración utilizada, siendo el bagazo un relleno más eficiente debido a su alto contenido en almidón residual y menor proporción de partículas de mayor tamaño. Además, la adición de las cargas mejoró las propiedades de barrera UV-visible del material, especialmente aquellos que contienen cáscara.El agregado de urea a la formulación permite no sólo generar una matriz polimérica activa sino también plastificarla. Comparativamente, tanto la urea como el glicerol y la mezcla de ambos son plastificantes compatibles con la matriz. La mayor eficiencia de la urea como plastificante se demostró por la disminución de la Tg y la mejora del comportamiento mecánico. La estructura y propiedades de las películas de almidón de mandioca reforzadas dependen fuertemente del contenido de urea incorporado, siendo 37,5 g de urea/ 100g de almidón la máxima concentración admitida por la matriz. Los resultados obtenidos de liberación controlada de urea en suelo se correlacionan con los de biodegradación y de capacidad de absorción de agua ya que estos procesos ocurren en forma simultánea. Fue posible obtener macetas biodegradables a partir de las películas reforzadas desarrolladas, sin embargo su aplicación para macetas de speedling no resultó viable debido a la fitotoxicidad que provoca la descomposición de la urea. Se propusieron diferentes estrategias de uso de las películas aditivadas como sistemas de liberación controlada de fertilizante, los que promovieron el desarrollo de platines de tomate. Se realizó un exhaustivo estudio de los parámetros de crecimiento vegetativo de los plantines con el fin de evaluar la efectividad de los sistemas de liberación propuestos. En relación al empleo de sistemas soportados, la utilización de barras o bastones fue la opción más eficiente. El presente trabajo de Tesis se propuso un uso integral de la raíz tuberosa de mandioca, ya que se desarrollaron películas a base del almidón que se reforzaron con el bagazo y/o la cáscara de la raíz, valorizando estos subproductos agroindustriales. Teniendo en cuenta sus propiedades, se propusieron distintas aplicaciones agronómicas específicas para estos materiales. La inclusión de urea en la matriz permitió el desarrollo de sistemas de liberación controlada del fertilizante los que demostraron su eficiencia en cultivos de ciclo corto.