Metodología

La investigación ha sido desarrollada con carácter experimental, puesto que se trabaja en el desarrollo de un nuevo material. Esto implica generar varias pruebas hasta llegar al material deseado. En cuanto a lo proyectual, se trabaja con la metodología del Proyecto de Promoción y Estudio para un Diseño Industrial Competitivo (PREDICA), de la Fundación PRODINTEC. Esta es la más adecuada para poder explicar de forma simple y práctica todas las fases a seguir. Desde el porqué del producto hasta la producción de este, la metodología se conduce por un ciclo estratégico, el cual permite el total entendimiento de sus dimensiones y brinda la posibilidad de ser replicado de forma integral. Para la presente investigación, se plantea hasta la fase cuatro de la metodología proyectual.

Fase 1-Definición Estratégica. Desarrollo del nuevo material a través del uso de la semilla de aguacate como recurso principal, y la combinación de almidón termoplástico y bentonita.

La fórmula se planteó con la aplicación del almidón de maíz termoplástico (TPA), debido a la plasticidad que requiere el desarrollo del nuevo material, y de bentonita, debido a que se logra la dureza y mejora las propiedades mecánicas necesarias, así como la estabilidad requerida.

La elaboración del almidón termoplástico (TPA) fue realizada de acuerdo con la metodología expuesta por Luna et al. (2009) y Hernández-Gil et al. (2022). Para esto, el almidón nativo de maíz (El Sabor, Alimensabor, Cía.Ltda) se mezcló con glicerina (USP, Casa del Esparadrapo, Guayaquil, Ecuador) (30% m/m) durante diez minutos. Esta mezcla se guardó en una funda sellada y se colocó en un desecador durante 24 h. Después de eso, fue expuesta en un horno a 155 oC ± 2 oC durante quince minutos. La mezcla se enfrió y almacenó en un desecador a 25 oC y 50 % RH, hasta su caracterización y uso.

El material en desarrollo contó con almidón termoplástico (TPA), semillas de aguacate molidas (SMA) y bentonita como carga. Cada formulación se realizó por triplicado. Se usó el programa estadístico Minitab (v18), con el diseño de mezclas con vértices extremos y punto central (Tabla 1).

Fase 2-Diseño de Concepto. Corresponde al desarrollo del producto en sus diferentes etapas, desde la funcionalidad y la relación con el usuario. Va desde la forma que debería tomar, con el uso de técnicas de representación como bocetos, pre maquetas, entre otros, hasta el diseño en 3D y el análisis del producto aplicado a su entorno. En este caso, se debe considerar que son utensilios de un solo uso.

Fase 3-Detalle del Producto. Se describen las características esenciales del producto que ha sido propuesto, desde sus especificaciones técnicas, medidas y el proceso constructivo para la fabricación del producto. En este caso, el desarrollo de cubertería desechable consistió en la elaboración de una lámina maleable para, seguidamente, termoformar a gusto. La lámina fue realizada de acuerdo con la metodología de Espina et al. (2016) y de Hernández-Gil et al (2022), con modificaciones. El TPA y SMA fueron mezclados con agua potable en relación de 1:2 y sometidas a calor a 80 oC durante seis minutos en constante agitación. La masa obtenida fue colocada en una prensa y en termo prensa a 40 oC durante treinta minutos. Se enfrió a temperatura ambiente y se guardó en el desecador, para proceder al termoformado. La lámina formada fue sometida a una prensa y luego fue secada en un horno a 50 oC por dos horas, para dar su forma final. Estas fueron guardadas en desecador, en condiciones controladas hasta su caracterización.

Fase 4-Ingeniería de Producto. Se prueban diferentes herramientas técnicas y de laboratorio que permiten verificar el cumplimiento de resultados y restricciones de su desarrollo. En esta fase, se propone el desarrollo de prototipos ágiles, virtuales y que permiten la visualización primaria de los productos, a través de la realización de probetas. Estas entran a pruebas de resistencia del material; entre las pruebas, están la tracción, tensión y flexión. Esto se debe a que estas pruebas logran un perfil completo de las propiedades del material y su posible aplicación.

Fase 5-Producción. Si bien esta fase es importante, debido a que permite ya la aplicación de las fases anteriores, implicaría mayor tiempo, inversión económica y humana para una correcta aplicación. Por ello, se dejará para una segunda parte.

Fase 6-Mercado Reciclaje. Esta fase permite la evaluación del impacto medioambiental. Asimismo, se resalta la importancia de lograr materiales que disminuyan las afectaciones hacia el planeta, contrarias a lo que realiza el plástico. Esta fase se prueba a través de la demostración de los materiales que serán usados.

Caracterización de Materias Primas

Se realiza la caracterización, con el objetivo de garantizar la calidad y seguridad del producto final, de forma que se puedan optimizar procesos de producción y asegurar la toma de decisiones en el uso y aplicación del nuevo material.

Determinación de Humedad de Almidón de Maíz Nativo. La determinación de la humedad se realizó de acuerdo con la metodología de INEN 1666 (2014) en estufa Biobase (Modelo BOV-V230F). Esta se realizó por triplicado. Se usó la Ecuación 1:

En dónde M1 es la masa de la cápsula con muestra húmeda; M2 es la masa de la cápsula con muestra seca; y M0 es la masa de la cápsula vacía.

Rendimiento de la Semilla de Aguacate. Se seleccionaron semillas de aguacate de la variedad Hass. Se separó el almidón según la metodología de Chel-Guerrero et al. (2016) y Wang et al. (2022), con ligeras modificaciones. Para esto, se rallaron las semillas, se separaron el almidón y los residuos. Se almacenó el almidón y los residuos de las semillas. El rendimiento del almidón y del residuo se obtuvo al aplicar la Ecuación 2:

Humedad. La humedad se determinó con la metodología de la NT INEN 518 (1980-12), que consistió en secar en estufa Biobase (Modelo BOV-V230F) dos gramos de muestra a 130 oC durante dos horas.

Cenizas. Las cenizas, o residuos minerales de SMA, se determinaron según la metodología de la NT. INEN 520 (2012), que consistió en la calcinación en mufla Termolyne (USA) de un gramo de muestra, a 450 oC durante cuatro horas o hasta obtener cenizas grisáceas. Se empleó la Ecuación 3. Se realizó este ejercicio por triplicado.

Celulosa. La determinación de la cantidad de celulosa se llevó a cabo mediante el método de Kurschner y Hoffer (1929) usado por Belezaca et al. (2016). Para ello, se pesó un gramo de muestra, se añadió ácido nítrico 68% y etanol 96% (Laboratorio Cevallos) y se calentó a reflujo hasta ebullición durante treinta minutos. Se repitió dos veces la digestión. Se lavó y filtró para eliminar los residuos ácidos y, luego, la masa resultante se secó y pesó. El porcentaje de celulosa se calculó según la Ec. (4), terminación de celulosa.

En donde Mf es masa final seca y Mi es la masa inicial de la muestra.

Fibra Cruda. El contenido de fibra cruda se elaboró de acuerdo con la normativa AOAC 978.10. Se usaron dos gramos de muestra y se hidrolizó, primero con ácido sulfúrico, y luego con hidróxido de sodio al 1,25% en peso. Se secó el remante en estufa Biobase (Modelo BOV-V230F). Se realizó esta prueba por triplicado y se usó Ecuación 5.

Fuerza Tensil. La resistencia a la tracción se realizó con un medidor manual Mxmoonfree. Su funcionamiento fue validado con la medición de muestras patrones secundarias. Se siguió la metodología de la normativa ASTM D 3039M.14 (2014). Se realizó la medición por triplicado.

Resultados

Fase 1-Definición Estratégica-Obtención de Materia Prima

La muestra de las semillas de aguacate provino de un muestreo no probabilístico intencional. Las semillas fueron recogidas del patio de comidas del Mall de los Andes. Cada semilla de aguacate, variedad Hass, pesó aproximadamente 2,22 g. Se obtuvo aproximadamente el 7 % de almidón puro y el 67,5 % de fibras o residuos.

La figura 2 describe el proceso de la separación del almidón de la fibra en detalle.

Las figuras 3 y 4 muestran la semilla molida, la cual presentó una coloración rojo amarillenta que corresponde a la denominación de color xyz : 25.7 ; 21.2 ; 3.4

Fase 2-Diseño de Concepto

Se realizan las propuestas de diseño de cubertería, en función a la relación de la ingesta de alimentos líquidos y sólidos. Para ello, lo característico es el diseño de un cuchillo, tenedor y cuchara. Los mangos de los cubiertos deben responder, de forma ergonómica, al agarre de la mano y la cazoleta, en relación a lo estandarizado, tanto en la forma y profundidad.

De acuerdo con las necesidades y el direccionamiento general del concepto, se han creado dos propuestas para el diseño del conjunto de cubertería. Esto se hizo de acuerdo a criterios de funcionalidad, optimización de material y practicidad; por esa razón, se ha elegido la segunda propuesta, ya que une, de forma estratégica, la función de la cuchara y el tenedor.

Se considera el cuello de los cubiertos como punto de mayor delicadeza. Esto se debe a que, al ejercer presión en diferentes alimentos por corte, es el lugar de mayor riesgo en la resistencia a la fuerza que se ejerce.

Una vez realizado el proceso de diseño, se establece la selección de material como parte de la consideración conceptual del producto a desarrollar. Para ello, se toma la guía de la rueda de valoración de ecodiseño.

En la Figura 6 se observa que la cubertería plástica convencional (representada en color rojo) abarca una porción pequeña de la rueda ecológica, lo cual dice que está lejos de ser un producto ecológicamente responsable. En cambio, la propuesta (representada en color verde) se expande significativamente más por el área de la rueda. Esto es indicativo de que el producto se acerca a las expectativas ecológicas deseadas.

Fase 3-Diseño de Detalle

Elegida la propuesta, se realiza el prototipado en medidas reales del producto. Se consideran las propiedades mecánicas del nuevo material, que se presenta moldeable, flexible y con cierto nivel de dureza. Esto ocurre en función de la formulación planteada, puesto que la combinación del TPA y el SMA contribuye a la dureza del material. Así, se puede realizar las propuestas de cubertería desechable.

Fase 4-Ingeniería de Producto

Caracterización de Cubertería de Un Solo Uso. El diseño estadístico mostró que, con un 95 % de confianza, existe significancia en la inclusión de TPA y SMA. La inclusión de la arcilla o bentonita influye en las características; sin embargo, se debería realizar un ensayo de optimización para definir una fórmula óptima.

Las muestras de los ensayos planteados, previamente acondicionadas, fueron caracterizadas en humedad, tensión, fuerza tensil, elongación, módulo de Young y dureza. Esos resultados se exponen en la Tabla 3.

()= desviación estándar

Resistencia y Elongación (Tr y E): A medida que aumenta el porcentaje de TPA (de 40% a 70%), se observan variaciones en la resistencia a la tracción y en la elongación. Por ejemplo, con un 40% de TPA y un 50% de SMA, la elongación es relativamente alta (80,9%), pero disminuye a 44,2%, cuando el TPA sube a 60% y el SMA baja a 30%. Sin embargo, con TPA al 70% y SMA al 30%, la resistencia es alta (Tr 1,521 MPa) aunque la elongación sigue siendo moderada (72,83%).

Influencia de la Bentonita: La bentonita parece reducirse en algunas combinaciones, lo que puede afectar la humedad y la fuerza tensil. Por ejemplo, en las filas donde la bentonita es 0%, la humedad es generalmente más alta (por ejemplo, 14,66% y 13,27%).

Módulo de Young (MY): Valores más altos de MY indican mayor rigidez. Además, esto parece estar relacionado con el aumento de TPA. En la última combinación (TPA 70%), el MY es más alto (12,16 MPa), lo que sugiere que el aumento de TPA aumenta la rigidez.

Dureza (HD): Los valores de dureza no muestran un patrón claro, pero tienden a disminuir a medida que aumenta el TPA y disminuye el SMA. Esto podría indicar que el SMA contribuye a la dureza de la muestra.

Estos datos sugieren que los cambios en la composición de TPA, SMA y bentonita, así como en la humedad, afectan las propiedades mecánicas (resistencia, rigidez, elongación) de la mezcla.

Planos de Fabricación

Este modelo de molde en aluminio vaciado sirve para someter a las muestras previamente acondicionadas a una compresión prolongada con calor controlado.

Prototipado funcional

Propuesta de Proceso de Fabricación

Moldeo por Compresión. Alternativamente, se puede utilizar una máquina de moldeo por compresión que aplique calor y presión. Este proceso permite dar forma precisa a los utensilios y garantiza una distribución uniforme de la mezcla.

Ajuste de Temperatura y Tiempo. Mantener la temperatura y presión adecuadas según las propiedades del material, lo que asegura una adecuada fusión entre los componentes. Esto evita fragilidad y mejora la resistencia.

Secado Controlado. Colocar la cubertería en una cámara de secado a baja temperatura para eliminar la humedad residual sin alterar la estructura. Este proceso contribuye a mejorar la resistencia y la rigidez del producto final.

Curado Final. Dejar la cubertería en reposo en un ambiente controlado para que los materiales se estabilicen y se fortalezcan. Este proceso asegura que las propiedades mecánicas alcanzadas durante el moldeo se mantengan.

Lijado y Pulido. Realizar un lijado y pulido superficial para eliminar bordes afilados o imperfecciones y asegurar una textura suave.

Ensayos de Resistencia y Durabilidad. Verificar que el producto cumpla con las especificaciones de resistencia, rigidez y dureza requeridas. Los ensayos incluyen pruebas de resistencia a la tracción, flexibilidad y dureza.

Pruebas de Seguridad Alimentaria. Realizar ensayos para garantizar que el material sea seguro para el contacto con alimentos y que no libere sustancias nocivas.

Empaque Biodegradable. Colocar la cubertería en empaques biodegradables para mantener la coherencia con el propósito ecológico del producto.

Almacenamiento en Ambientes Controlados. Mantener la cubertería en lugares secos y frescos hasta su distribución, para evitar que absorba humedad o pierda propiedades mecánicas.

Fase 6-Mercado Reciclaje

Una vez que el producto ha cumplido su función, puede regresar a la tierra como abono. Bajo condiciones ambientales adecuadas, como la humedad y la presencia de microorganismos, se facilita la descomposición de las sustancias naturales. Las enzimas convierten almidones, carbohidratos y proteínas en moléculas más pequeñas, como dióxido de carbono y agua, que se integran al suelo y son aprovechadas por nuevas formas de vida, como las plantas.

Discusión de Resultados

La cantidad de almidón extraído del 6 % estuvo muy por debajo del 40 % expuesto por Correa et al. (2019), lo cual pudo deberse a la variedad y forma de extracción. El conocimiento de las características del material sirve para definir su adecuado uso, forma de elaboración y disposición final.

Propiedades como resistencia tensil, resistencia a la humedad, elasticidad, comportamiento térmico, entre otros, permitirán definir la aplicación del material en un producto final adecuado. En este caso, el material es fuerte (fuerza de tensión de 44 a 102 MPa), por lo que resistirá y no se romperá fácilmente, pero no es resistente al agua. Por lo tanto, su uso estaría definido para productos secos. Este material tiene plastificante; por ello, durante su proceso es fácilmente moldeable y podría tomar diferentes formas.

Cada uno de los materiales usados proviene de la naturaleza. Por tanto, una vez que se cumpla el uso, este podría ser parte de la naturaleza nuevamente; esto afecta positivamente al ambiente.

Sus cualidades de resistencia y moldeabilidad lo hacen un material adecuado para poder desempeñar funciones de agarre y contención en alimentos secos. Al ser un producto de rápido uso, es decir desechable, y al ser su constitución cien por ciento natural, su impacto al ambiente es neutro, sobre todo si se lo compara con la cubertería plástica.

De acuerdo con Avellán et al. (2020), si bien los biopolímeros tienen propiedades mecánicas menores a los plásticos derivados del petróleo, estos poseen cualidades químicas que no afectan al medio ambiente. Por ejemplo, son de carbono neutro, lo cual los hace sostenibles y biodegradables. Estas ventajas son claramente determinantes frente a los plásticos de un solo uso.

Si bien las cualidades físicas del material obtenido no igualan a las mostradas por los polímeros derivados del petróleo, sus cualidades químicas y afectación al medio ambiente reducen drásticamente la polución por desechos de un solo uso. Por ende, se cumple el principal objetivo de este trabajo. Mientras una cuchara plástica tardará un poco más de 500 años en degradarse, una a base de almidón de aguacate lo hará en un par de semanas, sin afectación alguna al medio.

Conclusiones

La investigación realizada demuestra que la semilla de aguacate tiene un gran potencial como materia prima para desarrollar un biomaterial aplicable en la fabricación de productos, particularmente en el diseño de cubertería descartable. Su capacidad de biodegradación contribuye a la reducción de la contaminación ambiental, lo que la convierte en una alternativa sostenible frente a los plásticos convencionales. Este enfoque no solo promueve un uso integral de los residuos orgánicos, sino que también fomenta prácticas más responsables con el medio ambiente.

La materia prima derivada del almidón de semillas de aguacate muestra propiedades adecuadas para su funcionalidad en la fabricación de productos desechables. Sin embargo, se recomienda incorporar almidón de maíz para mejorar sus propiedades mecánicas, lo que facilitaría los procesos de mecanizado y moldeado en el producto final. Además, sería beneficioso aplicar un recubrimiento natural que optimice sus características mecánicas y aumente su hidrofobicidad, lo que lo hace más adecuado para su uso en contacto con alimentos o líquidos.

Dadas las características del material en desarrollo, se debe considerar el uso en productos sólidos o secos y fríos, puesto que la temperatura afecta a una pérdida de masa. El uso en productos calientes o líquidos requiere continuar con procesos de ensayo y experimentación con materiales o recubrimientos que permitan la hidrofobicidad del producto desarrollado.

Declaración de conflicto de intereses: Los autores declaran no tener conflictos de interés.

Declaración de contribución de los autores: A continuación, se menciona la contribución de cada autor, en correspondencia con su participación, utilizando la Taxonomía Crédit:

• Marcos Javier Proaño Maigualca: Administración del proyecto, Adquisición de fondos, Análisis formal, Conceptualización, Investigación, Metodología, Recursos, Redacción-borrador original, Visualización.
• Yesenia Yomara Jiménez Sánchez: Análisis formal, Conceptualización, Investigación, Metodología, Redacción-revisión y edición, Supervisión, Validación.
• Dolores Augusta Jiménez Sánchez: Curaduría de datos, Investigación, Supervisión, Validación.

Referencias

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