TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE CHIMALHUACAN

Implementación de un proceso enzimático de hongos

lignocelulósicos para la degradación, separación y limpieza de los componentes del envase multicapa a través de un

elemento mecánico de estructura semiautomática (Mes-AC)

CUERPO ACADÉMICO BIOTECNOLOGÍA E INGENIERÍA DE PROCESOS

AUTORES:

M. EN C. GUILLERMINA PÉREZ GÓNZALEZ M. EN C. ANGEL EDUARDO MÁRQUEZ ORTEGA

c.DR. LIZZETE RUTH TORRES BARAJAS M. EN C. PABLO MONTES UTRERA

Chimalhuacán, Estado de México a 21 de agosto de 2013

DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA A RESOLVER

En la actualidad en la ciudades se ha generado la acumulación de grandes

cantidades de envases multicapa, debido a que estos son utilizados en la

industria para conservar diversos productos, principalmente los pertenecientes

a la rama de productos perecederos.

La utilización excesiva de esta industria ha ocasionado que este producto al

desecharse no conlleve a su degradación biológica natural inmediata, si no que

se requiere de un tiempo considerable que impacta severamente al medio

ambiente, por tal motivo se necesita de un tratamiento especial que permita la

degradación de sus elementos de composición tal es el caso del cartón,

polietileno y el aluminio, para que pueda ser reindustrializado.

Por otro lado, se ha propuesto en la industria del papel diversos procesos

biológicos que permiten la degradación del cartón mediante enzimas como las

celulosas y las xilanasas, las cuales son producidas por microorganismos, tales

como los hongos lignocelulósicos. Esta tecnología consiste en la conversión de

polímeros naturales presentes en las fibras utilizadas para la elaboración de

papel en monómeros de glucosa; sin embargo pocos estudios se han enfocado

a la separación del cartón de los envases multicapas mediante estos procesos.

Asimismo, se pretende que mediante un proceso semi-atomatizado por una

Maquina de Estructura Semi-Automática Centrifuga, denominada MES-AC

desarrolle el proceso de limpieza final de los componentes del elemento

multicapa; rescatando los polímeros, el aluminio y la celulosa, para su reúso

industrial.

ANTECEDENTES

En los últimos años, la biotecnología ha tenido importantes avances en su

aplicación industrial para la obtención de procesos sustentables que impacten

ambientalmente en beneficio del ecosistema. Esta área del conocimiento se ha

encargado de resolver diversos problemas de sustentabilidad, los cuales

permiten el desarrollo de métodos y técnicas convencionales; cuyos los

resultados han sido poco óptimos en el sistema organizacional de la industria

del reciclado y en la degradación de una gran diversidad de compuestos

contaminantes presentes en la naturaleza. Por lo anterior, se han generado

procesos industriales, que se llevan a cabo mediante el uso de métodos

biológicos, para su remediación de suelos, agua y aire. Algunas de las ventajas

que se pueden encontrar en los procesos biotecnológicos es el bajo costo de

implementación del uso de tecnología biológicas con la implementación

semiautomática de elementos mecánicos/eléctricos que permite la

optimización de los recursos de operación, impactando al medio ambiente a

corto plazo, estos beneficios se ven reflejados cuando se utilizan los métodos

químicos.

Por otro lado, dentro de los métodos biológicos se encuentran los desarrollados

por los seres vivos, tal es el caso de los compuestos que producen las

bacterias, hongos, y plantas que presentan una acción benéfica al ambiente.

Estos organismos muestran una capacidad de producción enzimática que

puede tener aplicación e impacto en el ambiente, debido a que éstas ayudan a

degradar compuestos orgánicos con características contaminantes y que se

generan en diversas industrias. Un claro ejemplo sobre la producción

enzimática son los hongos lignocelulósicos, este tipo de organismos tienen la

capacidad de sintetizar enzimas, tales como: lignoperoxidasas, xilanasa y

celulosas, las cuales son utilizadas en industrias del biopulpeo de la madera,

en la textil para la decoloración de pigmentos y la papelera para el blanqueo del

papel (Martínez-Anaya, alcázar-López, Dantán-González, & Folch-Mallol, 2008;

Márquez-Ortega, 2004). Lo anterior, se debe a que en los vegetales, están

presentes polímeros como la celulosa, hemicelulosa y la lignina; este último,

puede obstaculizar la hidrolisis de las fibras celulósicas, por lo que puede ser

biotransformada mediante hongos de la pudrición blanca, los cuales tienen la

capacidad de degradar a la lignina para dejar expuesta a la celulosa que es el

residuo blanquecino observado después de terminado el proceso (Higuchi,

1990). Una vez expuesta la celulosa, la cual se encuentra en una mayor

proporción en las fibras vegetales que son cadenas poliméricas, se pueden

hidrolizar para liberar unidades de glucosa; asociadas a estas fibras celulósicas

hay hemicelulosas que son polímeros de azúcares distintos a la glucosa, es

decir, básicamente contienen xilosas y manosas (Eyzaguirre, 2000). La

hidrolisis de estos dos polímeros depende de la estructura que forma parte de

los monómeros que las conforman y del tipo de enlace entre estos (Hadar ,

Kerem , Gorodecki , & Ardon , 1992). En la naturaleza, el deterioro (pudrición)

de los materiales celulósicos es causado por la actividad metabólica de un

número limitado de bacterias y hongos. Estos organismos producen enzimas

necesarias para utilizarlas en la degradación de la celulosa es abundante en la

tierra, por ello es considerada una fuente rica de carbono y energía con un bajo

costo (Béguin & Aubert, 1994).

Se han identificado dos grupos de organismo con capacidades celulolíticas. El

primer grupo lo representan microorganismos anaerobios, los cuales son

bacterias y hongos que habitan en las aguas residuales, y rumen y tracto

intestinal de los animales herbívoros (Cazemier, y otros, 2003). En este grupo

se encuentran los géneros Clostridium y Ruminococcus, así como algunos

hongos como: Anaeromyces mucronatus, Caecomyces communis, Cyllamyces

aberencis, Neocallimastix frontalis, Orpinomyces sp., y Piromyces sp. (Dien,

Hespell, Wyckoff, & Both, 1998; Teunissen & Op den Camp, 1993). El

siguiente grupo está conformado por especies aeróbicas que habitan en suelos

boscosos, como las bacterias Cellulomonas ( Elberson, y otros, 2000) y

Streptomyces (Alani, Anderson, & Moo-Young, 2008), y los hongos

basidiomicetos responsables de la degradación o pudrición de la madera, como

la familia Polyporaceae, tales es el caso de Panus, Polyporus, Pycnoporus y

Trametes ( Baldrian & Valaskova, 2008; Martínez, y otros, 2005). En la

actualidad, el hongo ascomiceto Trichoderma reesei se ha utilizado en la

industria de los alimentos, humana, animal, farmacéutica, textil, papel y la

pulpa, y en la energética, debido a que se han aislado y estudiado ampliamente

celulasas y xilanasas, por su potencia para la degradación de la celulosa (

Druzhinina, Schmoll, Seiboth, & Kubcek, 2006; Esposito & da Silva, 1998;

Nevalainen, Suominen, & Taimisto, 1994).

Por otra parte, el mundo empresarial y su constante búsqueda de la

sustentabilidad ha llevado a generar estudios sistemáticos (Kumar, Singh, &

Singh, 2008), en los cuales se permita el desarrollo de procesos que

incrementen el éxito de reúso de los productos industrializados afirmando el

uso adecuado del reciclaje, en el que no se vea afectado al hombre y su

ambiente. Por esto mismo, se debe coordinar y plasmar en diferentes

metodologías la fabricación e innovación, así como la cultura del reciclaje de

algunos materiales, tal es el caso del envase multicapa. Hoy día, se han

utilizado métodos para la recuperación de los componentes del envase

multicapa, el más utilizado es el mecánico, el cual presenta altos costos de

operación y mantenimiento, de tecnologías sofisticadas, que generan una

recuperación del capital a largo plazo pero sin la optimización de los recursos.

Otro método utilizado es la pirolisis, con este se recupera el aluminio con una

alta pureza mediante la aplicación de elevadas temperaturas, pero el

inconveniente es la generación de cantidades considerables de humos por la

combustión realizada en presencia del cartón y el polietileno del envase, por lo

que este tendría efectos adversos en el medio ambiente y un impacto severo

en el ser humano.

Por lo anterior, se puede mencionar que poco se ha hecho en el área de la

degradación del papel multicapa por medio de procesos industriales biológicos

que permita el tratamiento de celulosa de la industria papelera. Es por ello, que

se recomienda utilizar este método que consiste en la aplicación de cuerpos

enzimáticos para la degradación de la celulosa presente en el envase

multicapa, así como la recuperación y lavado del polietileno y aluminio para su

reciclaje, sin tener que aplicar los métodos convencionales antes mencionados

de la pirolisis, entre otros, que realizan la quema de la celulosa presente en el

cartón del envase para, formar y recuperar los componentes restantes de la

celulosa, parte de la manufactura industrial del papel multicapa mediante la

utilización de la las enzimas producidas por algunos de los organismos antes

mencionados. Finalmente, se busca la optimización de los recursos para

generar un proceso de bajo costo de operación, amigable al ambiente y donde

se recuperen los materiales para su reciclaje.

Estructura de manufactura industrial del papel multicapa.

Características de construcción del producto a degradar, llamado papel

multicapa, compuesto por 6 capas, mismas que por el método biotecnológico

ya mencionado se pretende la libre separación de sus elementos que

compone su estructura manufacturera de capas de polietileno, aluminio, y

cartón. Este método biotecnológico se desarrolla por medio del conocimiento

de su construcción manufacturero del compuesto del papel te-trabirk (ver

figura 1) que consiste en una laminación de varios substratos o películas, que

laminan y pegan entre papel adhesivo, cartón, polietileno y aluminio, que al

adherirlas con pegamento o algún tipo de resina se conforma como una sola

película.

Fuente propia: personalización de la Figura 1 Figura 2. Estructura del producto a degradar

La construcción de la estructura de sus materiales del producto multicapa y

su impacto ambiental en la región, lleva al origen de este estudio con previo

conocimiento de la desmaterialización de los productos que se pueden reciclar

para su reúso. Que consiste en la separación de adentro hacia fuera o de

afuera hacia adentro, Las capas son las siguientes, (ver figura 1) Primera capa

que es de polietileno, que se mantiene en contacto con el producto envasado,

parte de este producto puede resultar benéfico para la podredumbre blanca,

necesaria para la aplicación de los hongos lignócelulosicos , segunda capa

polietileno que optimiza la adhesión del aluminio. Degradación de la séptima

capa no considerada ni cuantificada en el proceso de producción (ver figura 2),

denominado, adhesivo o resina considerado producto químico, degradable en

su totalidad por el método aplicado a este estudio, Tercera capa que es el

aluminio liberado en forma inmediata natural al proceso aplicado, cuarta capa

polietileno que permite la adhesión entre el cartón y la capa de aluminio, esta

de igual manera se separa libremente, quinta capa; cartón que le da forma,

estabilidad y rigidez al envase capa que se degrade por el método enzimático

considerando la modificación de pigmentación adhesiva al cartón, Sexta y

última capa de Polietileno, que impermeabiliza, el envase y lo protege de la

humedad atmosférica , esta última capa a dado la razón de estudio de este

producto que impacta severamente la sustentabilidad del suelo en la

contaminación que de este producto origina por su constitución de fabricación

ya mencionado en las líneas anteriores.

OBJETIVO GENERAL

Realizar el proceso biológico para la degradación del cartón presente en los

envases flexibles multicapa por medio de enzimas producidas por hongos

lignócelulosicos y realizar la evaluación cuantitativa de los procesos para su

escalamiento. Considerando como segundo método la limpieza general de los

elementos rescatados para su reúso industrial, por medio, de un sistema semi

automático denominado MES-AC.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Aplicar el proceso de reducción de tamaño de partícula y separación de los

componentes del envase multicapa mediante un elemento mecánico,

denominado MES-AC.

Desarrollar la cuantificación de los azucares reductores y totales para el

tratamiento del envase con enzimas comerciales.

Realizar la propagación y conservación de las cepas de hongos para el cultivo

en sólido.

Desarrollar el tratamiento del envase multicapa y el hongo por medio de cultivo

en sólido.

Medir los parámetros de azucares totales y reductores para el cultivo en sólido.

Realizar la separación de aluminio y polietileno a través de tratamiento térmico.

Evaluación cuantitativa del proceso de degradación para su escalamiento.

Diseñar un modelo semiautomático para la limpieza de los componentes del

producto a degradar, denominado Prototipo semiautomático MES-AC

JUSTIFICACIÓN Y METODOLOGÍA

El estudio se desarrolla con un proceso biológico natural de implementación

por medio del conocimiento de la biotecnología en la degradación de la

celulosa presente en el cartón de los envases multicapa a través de la

utilización de celulosas producidas por hongos lignócelulosicos, se podrá

aprovechar cada uno de los componentes para su reúso o reciclaje, debido a

que se proporcionan nuevas formas de tratar a los materiales con la finalidad

de tener un sustento ecológico en función del desarrollo sustentable. Este

proceso se lleva a cabo por medio de la separación mecánica de los

componentes para exponer las fibras celulósicas donde actuaran con

posterioridad las enzimas para la degradación de la celulosa y así tener la

recuperación de los materiales con una pureza mayor, por un lado y por el otro,

los productos derivados de la degradación de la celulosa, permite un proceso

eficiente, repercutiendo en la disminución de costos de operación de los

métodos convencionales utilizados en la industria. La finalidad de este método

es la separación de estos componentes en una forma semiautomática limpia y

rápida logrando una eficiencia de reúso y/o reciclaje de los residuos, a un

menor costo; además, se obtiene con mayor rapidez la separación de los

componentes presentes en los envases flexibles multicapa en comparación con

otros métodos ya existentes en la industria. No considerando la sustentabilidad

en esos procesos, tal es el caso, de la pirolisis, que en su proceso requiere de

un gran gasto de energéticos y en los métodos mezclado de orgánicos se

necesita un porcentaje considerable de desgaste de recursos para la

separación de estos componentes multicapa, la propuesta en este trabajo es la

implementación de la biotecnología por medio del tratado mecánico y biológico

mediante hongos lignócelulosicos.

El método propuesto para este trabajo requiere como primera fase, el

tratamiento del producto a degradar por un tratamiento mecánico el cual se

realiza para obtener una reducción de partículas del envase multicapa,

seguido de una separación de la celulosa y los demás componentes por medio

de golpeteo de agua con un movimiento radial, axial y tangencial a 180ºC. Una

vez separadas las fibras celulósicas del polietileno y aluminio, se lleva a cabo

un tratamiento enzimático a las fibras con celulosas para la degradación de la

ya semi-tratada celulosa y para concluir su limpieza de los componentes para

su rescate en función de su reúso y reciclaje industrial.

En este proceso se cuantifica todos los azucares y los reductores para

valorar la eficiencia del proceso de conversión de la celulosa en monosacáridos

y por otro lado, el polietileno y aluminio se separan mediante un proceso

térmico, que por punto de fusión se recuperará para su reutilización. La

metodología aplicada en este trabajo se basa en el método enzimática

(Higuchi, 1990), así como en el mezcla y agitación de fluidos como el agua, con

patrones de flujo turbulento en turbina de flujo radial en tanques de mezclados

(Oldshue, 1983); Además de un tratamiento térmico a bajas temperaturas, con

el cual hay una reducción de oxígeno, no existe una ruptura molecular al no

suceder alguna reacción química, que al condensarse estos sólidos, se

generan líquidos o sólidos pastosos (Nakasima, Velazquez , & Ojeda, 2011).

RESULTADOS ESPERADOS A CORTO Y MEDIANO PLAZO

Dentro del presente trabajo se pretende obtener los siguientes resultados:

Diseño y estandarización de la metodología para la degradación de la

celulosa presente en el envase multicapa por medio de enzimas

celulosas comerciales.

Diseño y construcción de la maquina semiautomática MES-AC

separadora de componentes del envase multicapa. (Prototipo)

Implementación del proceso térmico para la separación del polietileno y

el aluminio.

Implementación de la metodología para la producción de celulosas del

hongo para la degradación de residuo celuloso presente en el cartón del

multicapa.

Proceso semi-automatizado para la separación de los elementos del

producto multicapa para el reúso y reciclaje de estos componentes

Figura 3 Diseño frontal del prototipo de la maquina ms-ac Consta de tolva, aspas, motor de 2 H. , válvula de arranque y control semiautomático , eléctrico, tina con

perforaciones para el centrifugado de la celulosa.

FIGURA NO. 4 modelo conceptual de movimiento en la tolva y tina de lavado del producto a degradar.

INFRAESTRUCTURA DISPONIBLE PARA LA REALIZACIÓN DEL PROYECTO EN LA IES DE ADSCRIPCIÓN DEL O LOS CA

El TESCHI posee dos laboratorios de química equipados para el desarrollo de

los procesos de separación y/o degradación indicados en la metodología por

degradación biológica enzimática de este estudio.

Además se cuenta con tres laboratorios de Informática, que cuenta con

software especializado para el diseño industrial de la Maquina Semiautomática

Centrifuga (MES-AC).

Aunado a ello se cuenta con un laboratorio de Ingeniería industrial, que tiene

en su haber 3 tornos industriales, una fresadora, y un CNC. Para la fabricación

de los elementos del sistema de la maquina MES-AC. Con equipo de

soldadura.

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES DEL PROYECTO

PRESUPUESTO SOLICITADO PARA LA REALIZACIÓN DEL PROYECTO; DIFERIDO PARA VEINTICUATROS MESES DURACIÓN DEL CICLO DE VIDA DEL PROYECTO.

Gastos de tecnología de punta

Equipamiento Se cuenta con el

Tecnología Informática Se cuenta con el

Tecnología Mecánica Se cuenta con el

Biotecnología Se adquiere por cultivos en IES de otros CA

Gastos directos

Compra de equipamiento menor a) Mecánico/eléctrico

$15,300.00

Compra de equipamiento menor Biotecnología/ comercial

$113,000.00

Compra de Cultivos Biotecnológicos. $22,000.00

Costo de mano de obra interna y externa al TESCHI (Técnico industrial, eléctrico /mecánico) Alumnos.

No aplica

Reactivos de laboratorio $54,500.00

Materiales de Laboratorio $65,000.00

Costo elementos del sistema MS-AC $83,000.00

Investigadores Titulares No aplica

Costo de Investigadores Técnicos colaborativos de otros CA

No aplica

Estancias de investigadores No aplica

Costo de Publicaciones y Asistencia a Congresos resultado de éste Proyecto de Investigación

$63,000.00

Gastos indirectos

Luz, agua, teléfono, No aplica

Maquila de procesos de producción del prototipo

No aplica

Papelería $10,000.00

Costo de alimentos de los colaboradores.

No aplica

Valor total del proyecto $427,800.00

Tabla 1 de presupuesto requerido

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