Biodegradación aerobia bajo condiciones controladas de compostaje de una película flexible y una bandeja semirrígida obtenidas a partir de almidón y harina de yuca

Abstract

La verificación de la biodegradabilidad es esencial para eliminar de manera segura un material plástico, y un compost estable biológica y químicamente es importante en pruebas de biodegradación de materiales plásticos. La presente tesis de maestría tuvo como objetivo general determinar la biodegradabilidad aerobia bajo condiciones controladas de compostaje de dos materiales de empaque elaborados a partir de almidón de yuca – ácido poliláctico, y de una mezcla de harina de yuca - fibra de fique. Para desarrollar el objetivo mencionado se evaluó la estabilidad biológica y química de tres compost de diferente composición y procedencia (finca la Rejoya, granja integral Mamá Lombriz, y un compost comercial Abonisa). Se realizó una prueba de biodegradación bajo los parámetros de la norma ISO 4855-1 para los dos materiales de empaque, (película flexible de almidón de yuca - ácido poliláctico y bandeja semirrígida de harina de yuca – fibra de fique), empleando celulosa microcristalina como referencia. Y se estudiaron los cambios térmicos y estructurales de los dos materiales plásticos, la variación de las temperaturas de degradación, temperaturas de transición vítrea (Tg), temperaturas de fusión (Tm) y entalpías de fusión (Hm). La estabilidad biológica del compost se evaluó por medio de un test de crecimiento de semillas de maíz nativas, midiendo la tolerancia de plantas de trigo al compost (rendimiento de semillas, altura de plántulas, largo de raíces, cuantificación del índice de clorofila), y cuantificando la generación de dióxido de carbono (CO2). La estabilidad química se evaluó mediante la estimación del contenido de carbono orgánico total (COT), contenido de nitrógeno, relación Carbono nitrógeno (C/N), sólidos totales (SST), sólidos volátiles (STV), y pH. Las pruebas de biodegradabilidad se realizaron por un periodo de 4 semanas a temperatura de 58°C ± 2°C, con flujo de aire de 250 mL/h empleando un compost maduro como inóculo seleccionado de la primera etapa de experimentación, y se midieron las cinéticas de producción de CO2, consumo de CO2 y porcentaje de biodegradación. Se presentaron diferencias estadísticamente significativas entre los compost, el proveniente de la finca la Rejoya elaborado de los residuos orgánicos de la Universidad del Cauca, presentó las condiciones idóneas de estabilidad biológica y química, en el test de crecimiento dicho compost presentó germinación de 88,89%, rendimiento de semillas de trigo de 95,74%, el más alto índice de clorofila (1,83), la menor generación de CO2 (150,26 mL después de 48 horas), el mayor valor en la relación C/N (13,36), y pH de 7,11. Se estableció la importancia de evaluar la estabilidad del compost antes de usarlo en una prueba de biodegradación aerobia, y se concluyó que el compost proveniente de la finca la Rejoya fue el más idóneo para ser empleado como inóculo en pruebas de biodegradación de materiales plásticos. Se registraron diferencias significativas en la producción de CO2, La mayor generación de CO2 (7,56 g por día) fue producida por la bandeja semirrígida el primer día de proceso seguida por la película flexible (3,94 g de CO2 por día) y la celulosa microcristalina (3,08 g de CO2 por día). El consumo de CO2 inicial fue significativo en la película flexible y en la bandeja semirrígida entre las semanas 1 y 2 (consumo total 31,48 y 32.65 g de CO2 respectivamente). Para el mismo periodo la celulosa microcristalina consumió 20,77 g de CO2. El porcentaje de biodegradación de los dos materiales fue mayor que el material de referencia (98,24% para la película flexible, 89,06% para la bandeja semirrígida y 81,37% para la celulosa microcristalina). Mediante microscopía SEM se observó la colonización de los microorganismos sobre la superficie de los materiales, evidenciándose la aparición de grietas y población microbiana a medida que avanzaba el proceso de degradación. Para la bandeja semirrígida la Tg entre el día 0 y el día 8 decreció de 43,56 °C a 54,31 °C y los ∆Hm 1 y ∆Hm 2 para el día 0 y 8 fueron de 3,91 J/g y de 54,07 J/g respectivamente. La Tg para la película flexible fue de 60,26 °C a 47,89 °C para el día 0 y 8 respectivamente los deltas de entalpias ∆Hm 1 y ∆Hm 2 para el día 0 y 8 fueron de 9,00 J/g y de 70,32 J/g. Se pudo corroborar que el tipo de material influyó significativamente en el proceso de biodegradación aerobia de materiales plásticos en condiciones controladas de compostaje a escala de laboratorio, lo que implica que la película flexible y la bandeja semirrígida se pueden comercializar como materiales biodegradables. Cada objetivo se desarrolló con diseño de experimentos independientes por lo cual en este documento se presenta la metodología para cada objetivo con sus respectivos resultados y conclusiones.

//Abstract: Verification of biodegradability is essential to safely remove a plastic material, and a biologically and chemically stable compost is important in biodegradation tests of plastic materials. The present master 's thesis had as general objective to determine aerobic biodegradability under controlled conditions of composting of two packing materials made from cassava starch and a mixture of cassava meal - stay fiber. In order to develop the mentioned objective, the biological and chemical stability of three compost of different composition and origin (Rejoya farm, integral mamma Worm farm, and a commercial compost Abonisa) were evaluated. A biodegradation test was carried out under the parameters of ISO 4855-1 for the two packaging materials (flexible cassava starch - polylactic acid film and semi - rigid cassava flour tray), using microcrystalline cellulose as reference. The thermal and structural changes of the two plastic materials, the variation of degradation temperatures, glass transition temperatures (Tg), melting temperatures (Tm) and melting enthalpies (Hm) were studied. The biological stability of the compost was evaluated by a test of growth of native corn seeds, measuring the tolerance of wheat plants to compost (seed yield, seedling height, root length, quantification of chlorophyll index), and Quantifying the generation of carbon dioxide (CO2). Chemical stability was evaluated by estimating the total organic carbon content (TOC), nitrogen content, carbon nitrogen ratio (C / N), total solids (SST), volatile solids (VTS), and pH. The biodegradability tests were carried out for a period of 4 weeks at a temperature of 58 ° C ± 2 ° C, with air flow of 250 mL / h using a mature compost as inoculum selected from the first experiment stage, and measured Kinetics of CO2 production, CO2 consumption and percentage of biodegradation. There were statistically significant differences between the compost, from the Rejoya farm, presented the ideal conditions of biological and chemical stability, in the growth test said compost presented germination of 88.89%, yield of wheat seeds of 95, 74%, the highest chlorophyll index (1.83), the lowest CO2 generation (150.26 mL after 48 hours), the highest value in the C / N ratio (13.36), and pH of 7.11. The importance of evaluating the stability of the compost prior to its use in an aerobic biodegradation test was established, and it was concluded that compost from the Rejoya farm was the most suitable to be used as an inoculum in biodegradation tests of plastic materials. There were significant differences in CO2 production. The highest CO2 generation (7.56 g per day) was produced by the semi-rigid tray on the first day of processing followed by the flexible film (3.94 g CO2 per day) and The microcrystalline cellulose (3.08 g CO2 per day). The CO2 consumption was significant in the flexible film and in the semi-rigid tray between weeks 1 and 2 (total consumption 31.48 and 32.65 g CO2 respectively). For the same period the microcrystalline cellulose consumed 20.77 g of CO2. The percentage of biodegradation of the two materials was higher than the reference material (98.24% for the flexible film, 89.06% for the semi-rigid tray and 81.37% for the microcrystalline cellulose). SEM microscopy showed the colonization of the microorganisms on the surface of the materials, evidencing the appearance of cracks and microbial population as the degradation process progressed. For the semi-rigid tray the Tg between day 0 and day 8 decreased from 60.26 ° C to 47.90 ° C and the ΔHm 1 and ΔHm 2 for day 0 and 8 were 43,56 °C to 54,31 °C respectively. The Tg for the flexible film was 60.26 ° C at 47.90 ° C for day 0 and 15 respectively the ΔHm 1 and ΔHm 2 for day 0 and 15 were 9,00 J/g y de 70,32 J/g. It was possible to corroborate that the type of material significantly influenced the aerobic biodegradation process of plastic materials under controlled laboratory composting conditions, which implies that the flexible film and the semirigid tray can be marketed as biodegradable materials. Each objective was developed with the design of independent experiments, which presents the methodology for each objective with its respective results and conclusions. Finally, the general conclusions are presented.