Material bioplástico, método para su preparación y uso.

La presente invención se refiere a un método de preparación de un material bioplástico basado en la utilización de proteínas procedentes de residuos industriales de la industria arrocera,

un agente plastificante y componentes químicos minoritarios, mediante la utilización de tratamientos termomecánicos.

Material bioplástico, método para su preparación y uso.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un método de preparación de un material bioplástico basado en la utilización de proteínas procedentes de residuos industriales de la industria arrocera, un agente plastificante y componentes químicos minoritarios, mediante la utilización de tratamientos termomecánicos.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Se definen como biomateriales aquellos materiales preparados a partir de materias primas de origen animal o vegetal como son proteínas, lípidos, polisacáridos y demás compuestos sintetizados a partir de organismos vivos. Se definen como bioplásticos 15 aquellos biomateriales cuyas características termomecánicas se asemejan las de los plásticos originados a partir de polímeros sintéticos derivados del petróleo o la síntesis química y que, gracias a estas características termomecánicas pueden llegar a desempeñar el cometido de los plásticos sintéticos en determinadas aplicaciones.

Los diferentes usos de estos nuevos biomateriales van desde la producción de plásticos 20 biodegradables para empaquetamiento alimentario, comestible y no comestible, films y adhesivos, materiales adsorbentes, absorbentes, plásticos con funciones estructurales o plásticos con aplicaciones médicas o biotecnológicas debido a su compatibilidad biológica. Proteínas, lípidos y polisacáridos se han usado como biopolímeros para obtener nuevos biomateriales. Las proteínas vegetales como gluten de trigo, proteínas de 25 soja, albúmina o derivadas de arroz son materias primas renovables y son producidas por toneladas al año ya que derivan de una producción de vegetales en constante demanda y generalmente son tratadas como subproductos con bajo valor añadido. Los materiales que se derivan del tratamiento de dicha materia prima presentan la ventaja de la biodegradabilidad y huella de carbono cero ambiental, lo que da la oportunidad de darles 30 valor añadido a lo que en ocasiones se convierte en un importante subproducto de la industria alimentaria. Además la importancia de estos nuevos materiales biodegradables no solo consiste en la reducción del volumen de materiales desechados como residuos sino que implica también un consiguiente ahorro de las reservas petrolíferas que son destinadas a la producción de polímeros sintéticos.

Diversos autores han descrito la posible utilización de distintas proteínas de origen vegetal o animal en la preparación de films homogéneos, transparentes y resistentes al agua.

Algunos ejemplos de estos métodos se describen en:

Protein-based Films and coatings. Edited by Aristippos Genadios. CRC

Press.2002.

Arvanitoyannis I. y col. Carbohydrate polym. 1997, 31:179-192.

Krotcha J.M. 1997. "Edible composite Moisture Barrier Films" In Packaging Yearbook: 1996, Ed. B. Blakistone, Washington, D.C.: National Food Processors

Association. 38-44.

El uso de procedimientos basados en la mezcla de proteínas con plastificantes también es conocido:

CN2012176849 20120321 se describe un método para la preparación de bioplásticos a 15 partir de ácido poliláctico y almidón.

En US5523293 se describe un método para la obtención de plásticos mediante moldeo por inyección a partir de enriquecidos de soja.

En US2004171545 se describe un método para la obtención de copolímeros sintéticos a partir de proteínas por propiedades elásticas y plásticas.

En WQ2012054003 se describe un método para la obtención de bioplástico comprende una mezcla de material sobre la base de compuestos de elevado peso molecular con sustancias orgánicas activas de origen natural.

En WQ2009045719 La invención se refiere a un método de fabricación del polímero anteriormente mencionado que comprende la extracción de un hongo, que puede ser por 25 ejemplo un hongo endófito, tal como CR873.

En ES20050001446 20050615 se describe un método para la preparación de bioplásticos a partir de enriquecidos proteicos procedentes de materia vegetal.

El uso de bacterias para la producción de bioplásticos está cada vez más desarrollado como muestra la siguiente patente:

WQ2012ES70793 20121115 que describe el desarrollo y ejecución de un método para

facilitar la producción de sustancias, en particular, polihidroxialcanoatos (PHA), en Pseudomonas putida a partir de glicerol.

Estos métodos, a diferencia del descrito en la presente invención, no aplican un proceso 35 posterior de moldeo por inyección por medio de presión y temperatura y un proceso anterior consistente en el enriquecimiento proteico a partir de residuos industriales.

Los materiales basados en proteínas pueden definirse como estructuras tridimensionales principalmente amorfas, estabilizadas por las interacciones de baja energía que son parcialmente reforzadas por estructuras de tipo cristalino reforzadas por enlaces covalentes.

El plastificante es un componente que se añade para reducir ías fuerzas intermoleculares y aumentar la movilidad de las cadenas poliméricas. Además el plastificante reduce la temperatura de transición vitrea de las proteínas termoplásticas. Estos plastificantes suelen ser moléculas de bajo peso molecular y baja volatilidad, las cuales modifican la estructura tridimensional de las proteínas.

El procesado termoplástico de proteínas y otros materiales basados en polímeros de origen agrícola requiere de 4 etapas principales:

1. Extracción de la proteína, de tal manera que se aproveche el residuo industrial, este enriquecimiento se lleva a cabo mediante extracción de proteínas por diversos métodos.

2. Mezclado del concentrado proteico con el agente plastificante y con reactivos

químicos, agentes reductores, agentes proentrecruzamiento, etc... que estabilicen y compatibilicen el sistema rompiendo o generando enlaces covalentes e interacciones secundarias de Van Der Waals y, del que se obtiene un material con cierto parecido a una masa.

3. La fluidización de la masa aplicando condiciones de temperatura y presión

óptimas.

4. La formación de nuevos enlaces intramolecular por procesado termomecánico que estabilicen la red tridimensional. La forma final de la pieza se obtiene en esta etapa y depende de la geometría que se use en la operación.

Los sitios activos para la formación de enlaces generados por tratamiento químico en la primera etapa se acercan lo suficiente por medio de la presión y la temperatura y se favorece la formación de enlaces covalentes en la red.

Sin embargo no se ha descrito ningún procedimiento que partiendo desde el residuo industrial y llevando a cabo un proceso de extracción y enriquecimiento proteico, utilice

técnicas de mezclado y moldeo por inyección para la obtención de un material bioplástico adecuado para su utilización en aplicaciones ordinarias de plásticos.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1. Resultados de los módulos de almacenamiento, o componente elástica, (E'), obtenidos mediante un ensayo de barrido de temperatura entre -30 y 150 °C, realizado a una velocidad de calentamiento constante de 3aC/min y a una frecuencia constante de 1 Hz. Se representan los valores obtenidos para 4 composiciones preparadas con distintos aditivos químicos:

Glicerina y enriquecido proteico de cascara de arroz.

Glicerina y enriquecido proteico de cascara de arroz con bisulfito como agente reductor que favorece la ruptura de enlaces covalentes y mejora la procesabilidad de la masa.

Glicerina y enriquecido proteico de cascara de arroz con bisulfito como agente reductor que favorece la ruptura de enlaces covalente y mejora la procesabilidad de la masa y glioxal como agente reticulante, favoreciendo las reacciones de Maillard, mejorando la procesabilidad y compatibilizando los sistemas proteína- plastificante

Glicerina y enriquecido de cascara de arroz con L-cisteína como promotor de entrecruzamientos, mejorando la procesabilidad y la deformación máxima. Temperatura del molde 130°C.

Figura 2. Resultados de la tangente de pérdidas (tan S), relacionada con la compatibilidad de los sistemas estudiados, procedente de un ensayo de barrido de temperatura entre - 30 y 150 °C realizado a una velocidad de calentamiento constante de 3aC/min y a una frecuencia constante de 1 Hz. Se representan los valores obtenidos para las 4 composiciones preparadas con distintos aditivos químicos descritas anteriormente.

Figura 3. Resultados comparativos de módulo de Young, tensión máxima y deformación máxima obtenidas por ensayos de tracción a velocidad de 3mm/min. Se representan los valores obtenidos para 4 composiciones preparadas con distintos... [Seguir leyendo]

1. Método de preparación de un material bioplástico que comprende una matriz proteica y un plastificante, caracterizado porque incluye las etapas de:

i. Enriquecimiento del concentrado proteico a partir de residuos industriales procedentes de la industria arrocera.

ii. Mezclado termoplástico de la matriz proteica con el plastificante.

iii. Moldeo por inyección del producto obtenido en la etapa anterior, a temperatura y presión adecuadas.

2. El método de acuerdo con la reivindicación anterior, caracterizado porque la matriz usada es de origen vegetal.

3. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 2, caracterizado porque las proteínas empleadas son procedentes del arroz.

4. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 1 a 3, caracterizado porque las proteínas empleadas se seleccionan de las presentes en la cascara de arroz.

5. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 1 a 4, caracterizado porque el plastificante se selecciona de entre un grupo formado por, glicerina, ácidos grasos y monogliceridos.

6. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 1 a 5, caracterizado porque el procedimiento de mezclado de proteínas, plastificante y componentes minoritarios se lleva a cabo en un dispositivo de mezclado discontinuo a una velocidad controlada entre 5 y 75 rpm.

7. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 1 a 6, caracterizado porque el proceso de mezclado se lleva a cabo a una temperatura entre 25 y 75 °C.

8. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 1 a 7, caracterizado porque el moldeo se lleva a cabo a una temperatura de precámara entre 70 y 90 °C. a una temperatura de molde entre 100 y 130 °C.

9. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 1 a 8, caracterizado porque el proceso de moldeo se lleva a cabo a una presión comprendida entre 50 y 95 MPa.

10. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 1 a 9, caracterizado porque el agente plastificante se encuentra presente en una cantidad comprendida entre un 20 y un 35%.

g

11. Bioplastico obtenible por el procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 1 a 10.

12. Uso del material bioplastico de acuerdo con la reivindicación anterior, 11, en la producción de plásticos biodegradables para el empaquetado, embotellado, aplicaciones médicas, aplicaciones estructurales, fabricación de piezas plásticas, recubrimiento de fertilizantes de liberación controlada, envases farmacéuticos biodegradables, recubrimiento de cableado eléctrico y otras aplicaciones como polímeros termoestables.