(Tesis) Obtención de papel a partir de los residuos de la cosecha del banano

ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA MCAL. ANTONIO JOSÉ DE SUCRE “BOLIVIA”

TRABAJO DE GRADO

“OBTENCIÓN DE PAPEL A PARTIR DE LOS RESIDUOS DE LA COSECHA DEL BANANO”

MELISSA ALEJANDRA CALLAPA RUIZ

LA PAZ, 2011

ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA MCAL. ANTONIO JOSÉ DE SUCRE BOLIVIA

TRABAJO DE GRADO

“OBTENCIÓN DE PAPEL A PARTIR DE LOS RESIDUOS DE LA COSECHA DEL BANANO”

MELISSA ALEJANDRA CALLAPA RUIZ

Modalidad: Tesis de Grado, presentada como requisito parcial para optar al título de Licenciatura en Ingeniería Industrial.

TUTOR: ING. MSc. EDWIN OSCAR ASTURIZAGA CALERO

LA PAZ – 2011

DEDICATORIA

Dios, por darme fortaleza, su guía constante y la oportunidad de crecer en la vida, a mis queridos padres y hermanitas que siempre han creído en mí y me brindaron su apoyo incondicional para realizar este trabajo y a Ahmed Amusquivar Caballero quien siempre estuvo a mi lado dándome sonrisas y fuerza para seguir adelante.

AGRADECIMIENTOS

A:

EDWIN OSCAR ASTURIZAGA CALERO, Docente de la Escuela Militar de Ingeniería, Universidad Católica Boliviana y Tutor de Trabajo de Grado.

A:

JUAN QUISBERT BLANCO, Docente de la Escuela Militar de Ingeniería, Universidad Mayor de San Andrés y Revisor del Trabajo de Grado.

A:

ALEJANDRO ROMERO MEJIA, Docente de la Escuela Militar de Ingeniería y Revisor del Trabajo de Grado.

A:

JUSTINIANO ZEGARRA VERASTEGUI, Docente de Trabajo de Grado de la Escuela Militar de Ingeniería.

A:

CENTRO DE INVESTIGACIÓN, CIENCIA Y TECNOLOGÍA – LABORATORIO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL de la Escuela Militar de Ingeniería.

A:

ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA.

A:

Todas aquellas personas que de una u otra manera colaboraron con el presente trabajo.

ÍNDICE DE CONTENIDO 1. GENERALIDADES ....................................................................................... 1 1.1 INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 1 1.2 ANTECEDENTES ...................................................................................... 2 1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................ 3 1.3.1 Identificación de Problema ...................................................................... 3 1.3.2 Formulación del Problema ....................................................................... 3 1.4 OBJETIVOS Y ACCIONES ........................................................................ 3 1.4.1 Objetivo General ...................................................................................... 3 1.4.2 Objetivos Específicos y Acciones de la Investigación ............................. 3 1.5 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................ 4 1.5.1 Justificación Teórica ................................................................................ 4 1.5.2 Justificación Económica .......................................................................... 4 1.5.3 Justificación Ambiental ............................................................................ 5 1.5.4 Justificación Social .................................................................................. 5 1.6 ALCANCE .................................................................................................. 5 1.6.1 Alcance Teórico ....................................................................................... 5 1.6.2 Alcance Temático .................................................................................... 5 1.6.3 Alcance Temporal .................................................................................... 6 1.6.4 Alcance Geográfico ................................................................................. 6 1.7 HIPÓTESIS ................................................................................................ 6 1.7.1 Análisis de Variables ............................................................................... 6 1.7.2 Definición Conceptual .............................................................................. 6 1.7.3 Operativización de Variables ................................................................... 7 1.8 MATRIZ DE CONSISTENCIA .................................................................... 8 2. MARCO TEÓRICO ....................................................................................... 9 2.1 CONTENIDO DEL MARCO TEÓRICO ...................................................... 9 2.1.1 Investigación de la Situación Actual ...................................................... 10 2.1.2 Técnicas de Recolección de Información .............................................. 11 2.1.2.1 Investigación Documental ................................................................... 11 2.1.3 Métodos Empíricos de Investigación ..................................................... 11 2.1.3.1 La Experimentación ............................................................................ 11 2.1.3.2 Planificación del Experimento ............................................................. 11 2.2 TIPIFICACIÓN DE LOS RESIDUOS DE LA COSECHA DEL BANANO .. 14 2.2.1 Tipificación de la Planta del Banano ...................................................... 14 i

2.2.1.1 El Banano ........................................................................................... 14 2.2.1.2 Taxonomía .......................................................................................... 15 2.2.1.3 Especies ............................................................................................. 15 2.2.1.4 Morfología ........................................................................................... 15 2.2.2 Composición de la Fibra del Raquis de Banano .................................... 17 2.2.2.1 α-celulosa ........................................................................................... 17 2.2.2.2 Holocelulosa y Hemicelulosa .............................................................. 17 2.2.2.3 Lignina ................................................................................................ 18 2.2.3 Tamaño de la Fibra del Raquis de Banano ........................................... 18 2.3 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS RESIDUOS DE LA COSECHA DEL BANANO .................................................................................................. 20 2.3.1 Residuos Orgánicos .............................................................................. 20 2.3.2 Impactos Ambientales ........................................................................... 21 2.3.2.1 Descomposición Orgánica .................................................................. 21 2.3.2.2 Aguas de Lixiviación ........................................................................... 22 2.3.2.3 Generación de gases .......................................................................... 23 2.4 OPERACIONES UNITARIAS PARA EL PROCESO DE OBTENCIÓN DE PAPEL ...................................................................................................... 25 2.4.1 Identificación de las Operaciones Unitarias ........................................... 25 2.4.2 Transferencia de calor y Masa .............................................................. 26 2.4.2.1 Extracción Sólido – Líquido................................................................. 26 2.4.2.2 Blanqueado ......................................................................................... 27 2.4.2.3 Secado ................................................................................................ 28 2.4.3 Operaciones Unitarias Físicas ............................................................... 28 2.4.3.1 Descortezado ...................................................................................... 28 2.4.3.2 Trozado ............................................................................................... 29 2.4.3.3 Triturado.............................................................................................. 29 2.4.3.4 Tamizado ............................................................................................ 30 2.4.3.5 Formación de la Hoja .......................................................................... 30 2.4.3.6 Prensado............................................................................................. 31 2.4.3.7 Encolado Superficial ........................................................................... 31 2.4.3.8 Otras operaciones de acabado ........................................................... 32 2.4.4 Operaciones Unitarias Químicas ........................................................... 32 2.4.4.1 Neutralizado ........................................................................................ 32 ii

2.4.5 Estructura del Proceso de Obtención de Papel ..................................... 33 2.5 VARIABLES PARA EL PROCESO DE OBTENCIÓN DE PAPEL ............ 34 2.5.1 Determinación de Variables ................................................................... 34 2.5.2 Variables Transferencia de Masa .......................................................... 35 2.5.2.1 Concentración del solvente ................................................................. 35 2.5.2.2 Relación sólido – líquido ..................................................................... 35 2.5.2.3 Temperatura y Tiempo de Extracción ................................................. 35 2.5.2.4 Velocidad de agitación ........................................................................ 36 2.5.2.5 Concentración del agente blanqueador .............................................. 36 2.5.3 Variables Físicas ................................................................................... 37 2.5.3.1 Peso de la corteza .............................................................................. 37 2.5.3.2 Tamaño de trozos ............................................................................... 37 2.5.3.3 Tamaño de partícula ........................................................................... 37 2.5.3.4 Tamaño de tamiz ................................................................................ 38 2.5.3.5 Espesor ............................................................................................... 38 2.5.3.6 Prensado............................................................................................. 38 2.5.3.7 Peso del material encolante ................................................................ 38 2.5.3.8 pH del producto final ........................................................................... 39 2.6 CARACTERÍSTICAS Y TIPOS DE PAPEL .............................................. 39 2.6.1 Características de Calidad de Papel...................................................... 40 2.6.1.1 Gramaje .............................................................................................. 40 2.6.1.2 Opacidad............................................................................................. 41 2.6.1.3 Blancura .............................................................................................. 41 2.6.1.4 Resistencia a la rotura ........................................................................ 42 2.6.1.5 Carteo ................................................................................................. 42 2.6.1.6 Capacidad de adsorción de tintas ....................................................... 43 2.6.2 Comparación de Características de Calidad ......................................... 44 2.6.2.1 Técnicas de Escalas ........................................................................... 44 2.6.3 Identificación de los Usos para Papel .................................................... 45 2.6.3.1 Papeles artísticos................................................................................ 45 3. MARCO PRÁCTICO ................................................................................... 50 3.1 DISEÑO METODOLÓGICO ..................................................................... 50 3.2 DIAGNÓSTICO DE LA SITUACIÓN ACTUAL ......................................... 51 iii

3.2.1 Tipificación de la Planta del Banano ...................................................... 51 3.2.2 Distribución y Hábitat del Banano .......................................................... 51 3.2.3 Producción del Banano.......................................................................... 52 3.2.3.1 Especies y Variedades de Banano ..................................................... 52 3.2.3.2 Cosecha del Banano ........................................................................... 54 3.2.3.3 Cuantificación de los Residuos de la Cosecha del Banano ................ 55 3.2.4 Características de los Papeles para Arte............................................... 59 3.3 CARACTERIZACIÓN DE LAS FIBRAS DE RESIDUOS DE LA COSECHA DEL BANANO .......................................................................................... 60 3.3.1 Morfología del Raquis del Banano ......................................................... 61 3.3.2 Tamaño de Fibra ................................................................................... 62 3.3.3 Composición de la Fibra ........................................................................ 64 3.3.4 Elección de la Materia Prima ................................................................. 65 3.4 OPERACIONES DEL PROCESO EXPERIMENTAL PARA OBTENER PAPEL ...................................................................................................... 66 3.4.1 Identificación de Operaciones Unitarias para la Obtención de Papel .... 66 3.4.2 Proceso de Obtención de Papel ............................................................ 73 3.5 VARIABLES DEL PROCESO EXPERIMENTAL ...................................... 77 3.5.1 Variables para la Obtención de Papel ................................................... 77 3.6 PLAN DE EXPERIMENTACIÓN .............................................................. 78 3.6.1 Planificación de la Experimentación ...................................................... 78 3.6.1.1 Tamaño de Partícula ........................................................................... 79 3.6.1.2 Relación Solvente – Alimentación....................................................... 79 3.6.1.3 Concentración del Solvente ................................................................ 80 3.6.1.4 Velocidad de Agitación ....................................................................... 80 3.6.1.5 Temperatura de Extracción ................................................................. 80 3.6.1.6 Concentración del Agente Blanqueador ............................................. 81 3.6.1.7 Tiempo de Prensado ........................................................................... 81 3.6.2 Recursos para la Experimentación ........................................................ 81 3.7 DESARROLLO DE LA EXPERIMENTACIÓN .......................................... 84 3.7.1 Esquema de la Experimentación ........................................................... 84 3.7.1.1 Determinación de la Concentración de Celulosa ................................ 84 3.7.1.2 Trozado ............................................................................................... 89 3.7.1.3 Descortezado ...................................................................................... 92

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3.7.1.4 Secado del Raquis de Banano............................................................ 93 3.7.1.5 Triturado.............................................................................................. 96 3.7.1.6 Tamizado ............................................................................................ 97 3.7.1.7 Extracción Sólido Líquido.................................................................. 101 3.7.1.8 Neutralizado ...................................................................................... 116 3.7.1.9 Blanqueado ....................................................................................... 118 3.7.1.10 Laminado .......................................................................................... 126 3.7.1.11 Prensado........................................................................................... 129 3.7.2 Características del Papel Obtenido ..................................................... 133 3.7.2.1 Gramaje ............................................................................................ 133 3.7.2.2 Potencial de Hidrogeno ..................................................................... 133 3.7.2.3 Carteo ............................................................................................... 134 3.7.2.4 Espesor Final .................................................................................... 135 3.7.2.5 Textura .............................................................................................. 136 3.7.3 Evaluación Comparativa y Uso del Papel Obtenido ............................ 136 3.8 INTERPRETACIÓN TEÓRICA DE LOS RESULTADOS ....................... 138 3.9 DEMOSTRACIÓN DE LA HIPÓTESIS ................................................... 140 3.9.1 Prueba de Expertos ............................................................................. 140 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................ 146 4.1 CONCLUSIONES................................................................................... 146 4.2 RECOMENDACIONES .......................................................................... 147 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 148

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ÍNDICE DE TABLAS TABLA 1: ACCIONES DE LA INVESTIGACIÓN ................................................ 4 TABLA 2: OPERATIVIZACIÓN DE VARIABLES................................................ 7 TABLA 3: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ........................................................ 9 TABLA 4: ANÁLISIS COMPARATIVO DE METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN .......................................................................... 13 TABLA 5: TAXONOMÍA DEL BANANO ........................................................... 15 TABLA 6: ANÁLISIS COMPARATIVO DE CARACTERÍSTICAS DE LA PLANTA DEL BANANO ............................................................................... 19 TABLA 7: ANÁLISIS COMPARATIVO DE IMPACTO AMBIENTAL ................. 24 TABLA 8: ANÁLISIS COMPARATIVO DE CARACTERÍSTICAS PARA PAPEL ... 43

TABLA 9: DISEÑO METODOLÓGICO............................................................. 50 TABLA 10: CULTIVOS DE BANANO ESTABLECIDOS EN LA PAZ ............... 53 TABLA 11: CONSUMO ANUAL DE BANANO POR SECTOR ........................ 56 TABLA 12: CANTIDAD DE PINZOTES DESECHADOS POR AÑO ................ 56 TABLA 13: CARACTERÍSTICAS DE LOS PAPELES ARTÍSTICOS................ 59 TABLA 14: LONGITUD MEDIA DE LA FIBRA ................................................. 63 TABLA 15: LONGITUD DE LAS FIBRAS VEGETALES ................................... 64 TABLA 16: CARACTERÍSTICA MORFOLÓGICAS Y QUÍMICAS DEL RAQUIS .. 65

TABLA 17: CANTIDAD DE PINZOTES DESECHADOS .................................. 66 TABLA 18: VALORES DE OPERACIÓN PARA PULPA DE PAPEL ................ 68 TABLA 19: VALORES DE OPERACIÓN PARA PAPEL ARTÍSTICO .............. 71 TABLA 20: VARIABLES DE LA INVESTIGACIÓN ........................................... 77 TABLA 21: CONDICIONES GENERALES DE EXPERIMENTACIÓN ............. 78 TABLA 22: RESULTADOS DE LAS PRUEBAS PARA PREPARACIÓN DE LA SUSTANCIA PATRÓN .................................................................. 86 TABLA 23: DISOLUCIONES PARA LA CURVA PATRÓN .............................. 87 TABLA 24: DETERMINACIÓN DE LA CURVA PATRÓN PARA CELULOSA . 88 TABLA 25: TROZADO DE RAQUIS DE BANANO ........................................... 91 TABLA 26: PERDIDA DE HUMEDAD POR TROZADO ................................... 91 TABLA 27: CARACTERÍSTICAS DE LA CORTEZA ........................................ 92 TABLA 27: CARACTERÍSTICAS DE LA CORTEZA (CONTINUACIÓN) ........ 93 TABLA 28: RESULTADOS DEL SECADO DE RAQUIS DE BANANO ............ 94 TABLA 29: TAMAÑO DE PARTÍCULA Y TIEMPO DE TRITURACIÓN ........... 96 TABLA 30: CANTIDAD DE MATERIAL TRITURADO VS TIEMPO.................. 98 TABLA 31: TAMAÑO DE PARTÍCULA............................................................. 99 TABLA 32: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE TAMAÑO DE PARTÍCULA 100 vi

TABLA 33: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE RELACIÓN S/F .................. 102 TABLA 34: RESULTADOS DE LA CONCENTRACIÓN DEL DISOLVENTE . 104 TABLA 35: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE VELOCIDAD DE AGITACIÓN . 107

TABLA 36: RESULTADOS DE LA PRUEBA DEL EFECTO DE LA TEMPERATURA ......................................................................... 109 TABLA 37: RESULTADOS DE LA PRUEBA ADICIONAL PARA CONCENTRACIÓN DEL SOLVENTE ......................................... 113 TABLA 38: RESULTADOS DE LA EXTRACCIÓN SÓLIDO LÍQUIDO ........... 114 TABLA 39: VARIABLES PARA LA EXTRACCIÓN SÓLIDO LÍQUIDO .......... 116 TABLA 40: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE BLANQUEADO .................. 120 TABLA 42: RESULTADOS DE LA PRUEBA BLANQUEADO CON HIPOCLORITO DE SODIO ......................................................... 122 TABLA 43: RESULTADOS DE LA PRUEBA ADICIONAL DE BLANQUEADO CON HIPOCLORITO DE SODIO ................................................ 122 TABLA 44: RESULTADOS DE TIEMPO DE BLANQUEADO ........................ 123 TABLA 45: RESULTADOS DE LA PRUEBA ADICIONAL DE TIEMPO DE BLANQUEADO ........................................................................... 124 TABLA 46: RESULTADOS DE TEMPERATURA DE BLANQUEADO ........... 125 TABLA 47: RESULTADOS DE LA OPERACIÓN DE BLANQUEADO ........... 126 TABLA 48: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE LAMINADO FUERTE ......... 127 TABLA 49: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE LAMINADO ........................ 128 TABLA 50: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE PRENSADO EN FRIO ....... 130 TABLA 51: VARIABLES DE CONTROL DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE PAPEL A PARTIR DEL RAQUIS DE BANANO........................... 132 TABLA 51: EVALUACIÓN COMPARATIVA DEL PAPEL .............................. 137 TABLA 52: DATOS GENERALES DE LOS EXPERTOS ............................... 141 TABLA 53: ESCALA DE CALIFICACIÓN ....................................................... 142 TABLA 54: SELECCIÓN DEL USO DEL PAPEL ........................................... 142 TABLA 55: CALIFICACIÓN DE LOS ATRIBUTOS ........................................ 142 TABLA 56: PONDERACIÓN DE LOS ATRIBUTOS ....................................... 143 TABLA 57: PUNTUACIÓN FINAL DEL PAPEL .............................................. 143 TABLA 58: DEMOSTRACIÓN DE LA HIPÓTESIS ........................................ 145

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ÍNDICE DE FIGURAS FIG. 1: MATRIZ DE CONSISTENCIA ................................................................ 8 FIG. 2: MAPA CONCEPTUAL DE METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 10 FIG. 3: PROCESO DE CONTROL ................................................................... 12 FIG. 4: MAPA CONCEPTUAL DE BOTÁNICA................................................. 14 FIG. 5: PLANTA DE BANANO ......................................................................... 16 FIG. 6: MAPA CONCEPTUAL DE IMPACTO AMBIENTAL ............................. 20 FIG. 7: MAPA CONCEPTUAL DE OPERACIONES UNITARIAS..................... 25 FIG. 8: EXTRACCIÓN SÓLIDO – LIQUIDO EN UNA SOLA ETAPA ............... 26 FIG. 9: MAPA CONCEPTUAL DE VARIABLES DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA .................................................................................. 34 FIG. 10: MAPA CONCEPTUAL DE VARIABLES FÍSICAS Y QUÍMICAS ........ 37 FIG. 11: MAPA CONCEPTUAL DE CARACTERÍSTICAS DEL PAPEL ........... 39 FIG. 12: PAPEL SEGÚN EL GRAMAJE Y RIGIDEZ ........................................ 40 FIG. 13: ESCALA DE CLASIFICACIÓN CONTINUA ....................................... 44 FIG. 14: PAPEL PARA ACUARELA DE GRANO FINO, MEDIANO Y GRUESO ... 45

FIG. 15: PAPEL PARA DIBUJO DE GRANO GRUESO .................................. 46 FIG. 16: PAPEL PARA GRABADO .................................................................. 47 FIG. 17: PAPEL PARA TINTA CHINA .............................................................. 47 FIG. 18: PAPEL PARA PINTURA AL OLEO .................................................... 47 FIG. 19: PAPEL PARA DIBUJO AL PASTEL ................................................... 48 FIG. 20: PAPEL ARTESANAL.......................................................................... 49 FIG. 21: RAQUIS MUSA ACUMINATA Y MUSA BALBISIANA ........................ 53 FIG. 22: COSECHA DEL BANANO EN ALTO BENI ........................................ 54 FIG. 23: ESTADO DEL PINZOTE DE BANANO .............................................. 58 FIG. 24: ESTRUCTURA FIBRILAR .................................................................. 61 FIG. 25: ELEMENTOS FIBRILARES DEL PINZOTE ....................................... 62 FIG. 26: FIBRA DE RAQUIS DE BANANO ...................................................... 62 FIG. 27: PROCESO DE OBTENCIÓN DE PULPA DE PAPEL ........................ 67 FIG. 28: RESULTADO DE LA PRUEBA EXPLORATORIA #1 ......................... 69 FIG. 29: PROCESO DE OBTENCIÓN DE PAPEL ARTÍSTICO ....................... 70 FIG. 30: RESULTADO DE LA PRUEBA EXPLORATORIA #2 ......................... 72 FIG. 31: PLANIFICACIÓN DE LA EXPERIMENTACIÓN ................................. 79 FIG. 32: BALANZA ........................................................................................... 82 FIG. 33: HORNO .............................................................................................. 82 FIG. 34: LICUADORA ...................................................................................... 82 viii

FIG. 35: HORNILLA – AGITADOR ................................................................... 83 FIG. 36: PROCESO EXPERIMENTAL PARA LA OBTENCIÓN DE PAPEL .... 84 FIG. 37: ESPECTROFOTÓMETRO UV - VISIBLE .......................................... 85 FIG. 38: DILUCIONES PARA LA CURVA PATRÓN ........................................ 88 FIG. 39: CURVA PATRÓN PARA CELULOSA ................................................ 89 FIG. 40: TROZOS DE RAQUIS DE BANANO .................................................. 90 FIG. 41: DESCORTEZADO DE RAQUIS DE BANANO ................................... 92 FIG. 42: CURVA DE SECADO ......................................................................... 95 FIG. 43: EQUIPO DE TRITURADO .................................................................. 96 FIG. 44: EQUIPO DE TAMIZADO .................................................................... 98 FIG. 45: EFECTO DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA ........................................ 100 FIG. 46: EFECTO DE LA RELACIÓN SOLVENTE ALIMENTACIÓN ............ 103 FIG. 47: EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DEL SOLVENTE ................... 105 FIG. 48: EFECTO DE LA VELOCIDAD DE AGITACIÓN ............................... 107 FIG. 49: EFECTO DE LA TEMPERATURA.................................................... 110 FIG. 50: CONCENTRACIÓN DE EQUILIBRIO A DIFERENTES TIEMPOS .. 112 FIG. 51: INTERACCIÓN DE LAS VARIABLES OPERATIVAS PARA LA OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO EXTRACCIÓN SÓLIDO LÍQUIDO 115 FIG. 52: PRUEBAS DE TEMPERATURA DE EXTRACCIÓN ........................ 116 FIG. 53: MEDICIÓN DE pH PARA NEUTRALIZADO ..................................... 117 FIG. 54: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE NEUTRALIZADO.................... 118 FIG. 55: PRUEBA DE LAMINADO ................................................................. 126 FIG. 56: PRUEBA DE PRENSADO EN FRIO ................................................ 129 FIG. 55: VELOCIDAD DE SECADO POR PRENSADO EN FRIO ................. 131 FIG. 56: MEDICIÓN DEL CARTEO PARA PAPEL ........................................ 135

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ÍNDICE DE ANEXOS

ANEXO I: CRONOGRAMA DE TRABAJO EN LABORATORIO ......................... I ANEXO II: RESULTADOS DEL TIEMPO DE SECADO PARA EL PINZOTE DE BANANO ......................................................................................... II ANEXO III: DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE CELULOSA POR ESPECTROFOTOMETRÍA UV - VIS..................................... III ANEXO IV: RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE EQUILIBRIO ............................................ IV ANEXO V: RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE NEUTRALIZADO .............. VI ANEXO VI: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE SECADO DEL PAPEL POR PRENSADO EN FRIO ................................................................... VII ANEXO VII: PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR LA HUMEDAD DEL PAPEL .......................................................................................... VIII ANEXO VIII: TABLA DE COLORES RAL .......................................................... IX ANEXO IX: RESULTADOS DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL PAPEL OBTENIDO...................................................................................... X ANEXO X: ENCUESTA RESPECTO A LA CALIDAD DEL PAPEL ELABORADO A PARTIR DEL PINZOTE DEL BANANO ............... XI

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OBTENCIÓN DE PAPEL A PARTIR DE LOS RESIDUOS DE LA COSECHA DEL BANANO 1. GENERALIDADES 1.1 INTRODUCCIÓN La producción bananera en Bolivia es una de las principales actividades económicas en el país. Actualmente el cultivo de banano es uno de los rubros agrícolas de mayor importancia económica y social en la provincia Sud Yungas y Alto Beni del departamento de La Paz. Esta actividad agrícola es una de las principales fuentes de generación de residuos; por ejemplo, los productores de banano enfrentan el problema de la eliminación de los residuos orgánicos originados en la cosecha del fruto. Residuo de este proceso es el pinzote de banano, éste se localiza en los centros de acopio de la producción bananera y los en centros de abasto de las principales ciudades. Los productores cosechan y venden su producción semanalmente. Los intermediarios, denominados comúnmente ranqueros1, están organizados en asociaciones de comercializadores de frutas y distribuyen al mayoreo en los centros de abasto de las ciudades de Cochabamba, Oruro y La Paz 2. La venta del banano para el mercado interno se realiza por chipas, las cuales están constituidas por seis racimos de banano en promedio y el pinzote que lo sostiene. El pinzote es la fracción de la planta de banano que sostiene el manojo de frutos y está constituido por fibras lignocelulósicas, de características semileñosa3, objeto de estudio del presente trabajo, para la obtención de fibras en la fabricación de papel. Las vendedoras de frutas, de los centros de abasto como los mercados de la zona norte, cortan los racimos al momento de la venta quedando como residuo 1

Recolectores de banano en los centros de acopio encargados de distribuir el fruto a los centros urbanos 2 PRIMER TALLER DE CADENAS PRODUCTIVAS: ACUERDOS DE COMPETITIVIDAD DE LA CADENA DEL BANANO, Cochabamba, Ag. 2002. 3 TURRADO José, Pinzote como Fuente de Fibras para Papel, p. 4.

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el pinzote de banano. Otros minoristas prefieren adquirir racimos ya cortados, por lo tanto son los “ranqueros” quienes desechan los pinzotes en los puntos de distribución de los mercados. Debido a que el pinzote entra en estado de putrefacción en un medio no apto para su degradación, atrae a vectores de contaminación como insectos y ratones, disminuyendo de esta manera la inocuidad de los mercados de la zona norte. En muchos casos, esta acumulación de residuos son desechados en las calles aledañas a los mercados tapando así sumideros y bocas de agua. 1.2 ANTECEDENTES El raquis o pinzote de banano ha sido objeto de estudio, para su aprovechamiento, por otros países productores de banano como Costa Rica, Ecuador, Colombia y Brasil. Dichos países han implementado pequeñas industrias para la obtención de papel, para elaborar artesanías como tarjetas, pantallas de luz, libretas, cajas. En Bolivia, Papelbol planea obtener celulosa vegetal de los desechos agroindustriales que hay en Chapare, tales como el pinzote de banano y la cáscara del palmito. Este proyecto será ejecutado a mediano plazo, hasta entonces la planta será alimentada con celulosa o fibra virgen importada de Chile o Brasil. También la fábrica utilizará papel y cartones reciclados que se acopien en Bolivia. De acuerdo con los ejecutivos de la empresa, Papelbol usará un 60% de fibra virgen y un 40% de papel reciclado4. La utilización de fibra virgen, del pinzote de banano y cáscara de palmito, de importación por parte de Papelbol no soluciona el problema de los desechos generados por las agroindustrias nacionales. Por esta razón existe la necesidad de desarrollar el conocimiento necesario, que pueda ser implementado en la industria papelera de Boliviana, para elaborar papel a partir de los residuos de la cosecha del banano.

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Industria Boliviana

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1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.3.1 Identificación de Problema Los residuos agrícolas de la cosecha del banano quedan como una acumulación de desechos sin ningún valor; por tanto, existe la necesidad de generar el conocimiento, para dar valor agregado a un residuo, mediante la elaboración de papel. 1.3.2 Formulación del Problema ¿Cuál es el proceso experimental para obtener papel a partir de los residuos de la cosecha del banano? 1.4 OBJETIVOS Y ACCIONES 1.4.1 Objetivo General 

Determinar el proceso experimental que permita elaborar papel a partir de los residuos de la cosecha del banano.

1.4.2 Objetivos Específicos y Acciones de la Investigación 

Realizar un diagnóstico de la situación actual



Caracterizar de las fibras del pinzote de banano



Establecer las operaciones del proceso experimental para obtener papel



Determinar las variables que intervienen en el proceso experimental



Determinar la planificación para la experimentación



Desarrollar la experimentación



Interpretar los resultados

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TABLA 1: ACCIONES DE LA INVESTIGACIÓN OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar un diagnóstico de la situación actual Caracterizar de las fibras del pinzote de banano Establecer las operaciones del proceso experimental para obtener papel Determinar las variables que intervienen en el proceso experimental Determinar la planificación para la experimentación Desarrollar la experimentación

Interpretar los resultados obtenidos

ACCIONES Tipificación de la Planta de Banano Identificar el tamaño de fibra Identificar los componentes de la fibra Identificar las operaciones unitarias para la obtención de papel Estructurar el proceso con las operaciones que intervienen en el proceso Analizar cada operación y determinar las variables que inciden en cada una de ellas Seleccionar un método para la experimentación Determinar recursos para la experimentación Realizar experimentación Registrar datos y resultados obtenidos Determinar las características del papel obtenido Comparar con otros tipos de papel e identificar el uso del papel obtenido Realizar la interpretación teórica de la experimentación

FUENTE: Elaboración propia en base a ZEGARRA Justiniano, Manual para la elaboración de Trabajos de grado nivel licenciatura, p. 11.

1.5 JUSTIFICACIÓN 1.5.1 Justificación Teórica El presente trabajo aporta a la generación de una tecnología experimental para elaborar papel a partir de los residuos de la cosecha del banano, este proceso podrá ser aprovechado por la industria papelera nacional. 1.5.2 Justificación Económica El presente trabajo propone una alternativa que permitirá generar recursos económicos adicionales al sector agroindustrial bananero nacional, utilizando residuos que actualmente no tienen ningún aporte para la comunidad. A su vez la industria papelera nacional podrá ser independiente de la celulosa importada para su proceso productivo.

4 – 150

1.5.3 Justificación Ambiental El aprovechamiento de los residuos agrícolas del banano reduce la contaminación, provocada por el proceso de putrefacción de la misma en un medio no adecuado, en mercados, calles y centros de acopio. 1.5.4 Justificación Social Los productores de banano obtendrán ingresos económicos adicionales por la venta de residuos agrícolas de la cosecha del banano. La ciudadanía, asentada en zonas aledañas donde se acumulan los residuos agrícolas de banano, aumentará su calidad de vida al eliminar el riesgo que estos representan para su salud y seguridad personal. 1.6 ALCANCE 1.6.1 Alcance Teórico Debido a que los residuos de la cosecha del banano están constituidos por fibras ligno-celulósicas, estos se pueden aprovechar como materia prima para la obtención de papel, con esto se lograría proporcionar un valor agregado a dichos residuos5. 1.6.2 Alcance Temático El presente trabajo busca determinar un proceso experimental para la obtención de papel, aprovechando los residuos de la cosecha del banano. En la investigación de campo se identificaran las especies de banano que existen en el departamento de La Paz y las zonas de comercialización de banano en la ciudad para la adquisición del pinzote. En la caracterización de las fibras del pinzote de banano se realizará una revisión de la información bibliográfica existente, para determinar el tamaño y los componentes los componentes de la fibra. Se establecerán las operaciones de transferencia de masa y operaciones unitarias físicas que permitan obtener papel desde la obtención de la pulpa hasta la formación de la hoja. Se determinaran las variables que inciden en cada una de las operaciones identificadas. 5

TURRADO José, Pinzote como Fuente de Fibras para Papel, p. 4.

5 – 150

Para realizar la experimentación se elaborará un plan donde se contempla los recursos necesarios y la metodología para la experimentación. En la experimentación se registrará y estudiará el comportamiento de las variables de cada operación para establecer conclusiones acerca del proceso de experimentación en la obtención de papel. En la interpretación de resultados se analizarán los resultados obtenidos, se identificarán las características de papel obtenido para comparar con otros tipos de papel existente y así determinar el uso más adecuado para el mismo. 1.6.3 Alcance Temporal La bibliografía a ser utilizada será de 25 años atrás. El desarrollo de la presente investigación tendrá una duración de 6 meses en la presente gestión. 1.6.4 Alcance Geográfico Los residuos de la cosecha del banano, objeto de estudio, procederán de los cultivos localizados en las provincias del departamento de La Paz. 1.7 HIPÓTESIS Un proceso físico y de transferencia de masa permitirá obtener papel empleando los residuos de la cosecha del banano. 1.7.1 Análisis de Variables Variable Independiente: proceso físico y de transferencia de masa Variable Dependiente: papel de los residuos de la cosecha del banano 1.7.2 Definición Conceptual Proceso físico y de transferencia de masa: En la obtención de papel un proceso físico y de transferencia de masa el material (madera, paja, bagazo de caña, etc) es triturado y calentado con sosa, se consigue separar la lignina contenida en la fibra de la celulosa. El tratamiento posterior es la formación y secado de las hojas junto con otros agentes que mejoran las propiedades del papel6.

6

HANS Beyer, Wolfgang Walter, Manual de Química Orgánica, p. 489.

6 – 150

Papel: Material hecho con pasta vegetal molida y blanqueada que se dispone en finas láminas y se usa para escribir y dibujar con diferentes materiales7. 1.7.3 Operativización de Variables TABLA 2: OPERATIVIZACIÓN DE VARIABLES VARIABLES

SUB VARIABLES

DIMENSIÓN Descortezado Trozado Triturado

Operaciones Físicas

Tamizado Laminado

Prensado

Variable Independiente

Operaciones Químicas

Neutralizado

Extracción sólido líquido Operaciones de Transferencia de Masa

Blanqueado Secado Variable Dependiente

Papel

Especificaciones técnicas

INDICADORES Peso de la corteza Tamaño de trozos Tamaño de partícula Tamaño de tamiz Espesor de la hoja Tiempo de prensado Humedad del producto terminado pH del producto final Tiempo de extracción del sólido Temperatura Concentración del solvente Relación sólido líquido Velocidad de agitación Concentración del agente blanqueador Humedad de equilibrio Gramaje Espesor Blancura Carteo

FUENTE: Elaboración propia en base a ZEGARRA Justiniano, Manual para la elaboración de Trabajos de grado nivel licenciatura, p. 14.

7

Definición de papel,

7 – 150

1.8 MATRIZ DE CONSISTENCIA FIG. 1: MATRIZ DE CONSISTENCIA PROBLEMA

OBJETIVO

HIPÓTESIS

OBTENCIÓN DE PAPEL A PARTIR DE LOS RESIDUOS AGRÍCOLAS DEL BANANO

¿Cuál es el proceso experimental para obtener papel a partir de los residuos de la cosecha del banano?

Determinar el Proceso Experimental

Un proceso físico y de transferencia de masa

Que Permita

Permitirá

Elaborar papel a partir de los residuos de la cosecha del banano

Obtener papel empleando los residuos de la cosecha del banano

FUENTE: Elaboración propia en base a ZEGARRA Justiniano, Manual para la elaboración de Trabajos de grado nivel licenciatura, p. 15.

8 – 150

2. MARCO TEÓRICO 2.1 CONTENIDO DEL MARCO TEÓRICO De acuerdo con los objetivos específicos a continuación se definen los temas y materias que se requieren para elaborar el contenido del marco teórico. TABLA 3: FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar un diagnóstico de la situación actual Caracterizar de las fibras del pinzote de banano

Establecer las operaciones del proceso experimental para obtener papel

Determinar las variables que intervienen en el proceso experimental

Determinar la planificación para la experimentación

ACCIONES Tipificación de la Planta de Banano

Metodología de la Investigación

Identificar el tamaño de fibra

Química

Identificar los componentes de la fibra

Química

Identificar las operaciones unitarias para la obtención de papel

Operaciones Unitarias

Estructurar el proceso con las operaciones que intervienen en el proceso

Ingeniería de métodos

Analizar cada operación y determinar las variables que inciden en cada una de ellas

Operaciones Unitarias

Planificar el desarrollo de la experimentación

Metodología de la Investigación

Determinar recursos para la experimentación

Metodología de la Investigación

Realizar experimentación Desarrollar la experimentación Registrar datos y resultados obtenidos

Interpretar los resultados obtenidos

FUNDAMENTO TEÓRICO Botánica

Determinar las características del papel obtenido Comparar con otros tipos de papel e identificar el uso del papel obtenido Realizar la interpretación teórica de la experimentación

Operaciones Unitarias Metodología de la Investigación Operaciones Unitarias Metodología de la Investigación Control de Calidad Metodología de la Investigación Operaciones Unitarias

FUENTE: Elaboración propia en base a ZEGARRA Justiniano, Manual para la elaboración de Trabajos de grado nivel licenciatura, p. 12.

9 – 150

FIG. 2: MAPA CONCEPTUAL DE METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

CONOCIMIENTO CIENTÍFICO

METODOS DE INVESTIGACIÓN

TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN

Métodos empíricos de investigación

Técnicas de recolección de información

La observación

La medición

Investigación documental

TRABAJO DE GRADO

Técnicas de medición

Escalas de clasificación contínua

Muestreo

La experimentación

Planificación de experimento FUENTE: Elaboración propia en base a ZEGARRA Justiniano, 4 formas de elaborar tesis y proyectos de grado, pp. 21 – 52.

La metodología es el conocimiento del método, mientras que el método es la sucesión de pasos que se deben dar para descubrir nuevos conocimientos, la metodología es el conocimiento de esos pasos. Por lo tanto se define a la metodología de la investigación como el estudio del conjunto de métodos que siguen en la investigación científica.8 2.1.1 Investigación de la Situación Actual La investigación de la situación actual permitirá conocer las características de la producción de banano y la generación de residuos en la cosecha del fruto. El instrumento para lograr dicho objetivo es la Investigación Documental que, de acuerdo con la FIG. 2, tiene como fundamento teórico a la Metodología de la Investigación. Se realizó la recopilación bibliográfica de la metodología para realizar la experimentación, la interpretación de resultados y para elaborar técnicas de medición en la evaluación del producto obtenido.

8

ZEGARRA Justiniano, 4 formas de elaborar tesis y proyectos de grado, p, 16.

10 – 150

2.1.2 Técnicas de Recolección de Información 2.1.2.1

Investigación Documental

De acuerdo con la información requerida, se procederá a la búsqueda de información en libros y textos referentes a operaciones unitarias de transferencia de masa y operaciones unitarias físicas para realizar la experimentación. Además la revisión de Normas referidas a especificaciones técnicas para papel. También información referida a los estudios previos, acerca del pinzote de banano, que aportan a la investigación, como ser: características del pinzote de banano y de su fibra. 2.1.3 Métodos Empíricos de Investigación La investigación empírica tiene como fundamento la existencia de un hecho científico sobre el cual se realiza la labor investigativa.9 En el presente proyecto, la labor investigativa es determinar el proceso experimental para obtener papel, a partir de hechos científicos como la relación entre variables y operaciones unitarias que inciden en la obtención del producto. 2.1.3.1

La Experimentación

El experimento es aquella clase de experiencia científica en la cual se provoca deliberadamente algún cambio y se observa e interpreta su resultado con alguna finalidad cognoscitiva. 10 Para el presente proyecto se provocan cambios en las variables de cada una de las operaciones unitarias para observar e interpretar los resultados, de esta manera se establecen las condiciones necesarias en el proceso que otorguen al producto final la calidad de papel con determinadas características. 2.1.3.2

Planificación del Experimento

De acuerdo con FARGIN11, el principal aspecto de la metodología experimental está relacionado con una mejor descripción, previsión, y ejecución del fenómeno estudiado.

9

ZEGARRA Justiniano, 4 formas de elaborar tesis y proyectos de grado, p. 21. IBID, p. 23. 11 FARGIN John, Revista Información Tecnológica, volumen 10, 2001, p. 74. 10

11 – 150

Una planificación experimental, bien desarrollada, permite investigar con propiedad las variables de un proceso y los efectos que ellas provocan en los productos. A) Diseño Experimental Cuando se inicia el estudio de un fenómeno, es natural que se establezca la lista de variables que influyen en el fenómeno estudiado, tal influencia se encuentra representada en la forma de una función respuesta y = f(x), la respuesta experimental puede ser cualitativa o cuantitativa. El ordenamiento de la información utilizada en la planificación experimental se da en forma codificada de matrices, denominadas matrices de experiencias factoriales.12 B) Desarrollo Experimental De acuerdo con LOPEZ13, el desarrollo experimental se ejecuta empleando el proceso productivo integrado previamente, realizando variaciones en cada indicador independiente y observando los cambios producidos en las variables dependientes, comparando los resultados obtenidos en cada prueba y eligiendo el mejor resultado de las pruebas realizadas. El proceso de control, que se observa en la FIG. 3, permite observar la incidencia de las variables del proceso en el producto final. Durante la experimentación se realiza el control de estas variables para poder estudiar los fenómenos del proceso. FIG. 3: PROCESO DE CONTROL E

Materia Prima

S

µ

Papel Proceso

Aditivos

Residuos

Disolvente Agua

Variación de Variables

Energía K

FUENTE: ROCA Alfred, Control de Procesos, 1995, p. 25. 12 13

FARGIN John, Revista Información Tecnológica, volumen 10, 2001, p 74 LOPEZ José, Diseños Experimentales: Planificación y Análisis, 1993, p. 32.

12 – 150

μ= E+K∗S

(1)

Donde: E = entradas K = Variaciones S = Salidas µ = Resultado del proceso de control TABLA 4: ANÁLISIS COMPARATIVO DE METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Instrumento

Ventaja

Desventaja No permite establecer parámetros cuantitativos y cualitativos No permite analizar y relacionar las variables

La observación La medición Permite realizar cambios deliberados La Experimentación en el fenómeno estudiado para establecer relaciones Permite establecer la Planificación del secuencia de la Experimento experimentación y los recursos necesarios Es la principal fuente de información de Investigación textos científicos y Documental estudios preliminares para la investigación Admite relacionar Escalas de valores cuantitativos Clasificación entre dos límites Continua opuestos FUENTE: Elaboración propia

Utilización No No

Sí

Sí

Sí

Sí

El diagnóstico de la situación actual emplea técnicas de recopilación de información para realizar la búsqueda y selección de fuentes que aporten al conocimiento, referente a las características de la materia prima y la selección del objeto de estudio; de esta manera la actual situación de la materia prima es elemental para la investigación.

13 – 150

2.2 TIPIFICACIÓN DE LOS RESIDUOS DE LA COSECHA DEL BANANO FIG. 4: MAPA CONCEPTUAL DE BOTÁNICA BOTÁNICA BANANO Distribución y Hábitad

Taxonomía

Pseudotallo

Especies

Raiz

Producción y Usos

Morfología

Inflorecencia

Hojas

Fruto

Raquis

Cosecha

Composición

FUENTE: Elaboración propia en base a LEON Jorge, Fundamentos botánicos de los cultivos tropicales, 2001, pp. 110-114.

La botánica, según HERNANDEZ14, es una rama de la biología que trata del estudio de las plantas desde el nivel celular, pasando por el individuo, hasta su distribución geográfica en los distintos ecosistemas terrestres. 2.2.1 Tipificación de la Planta del Banano De acuerdo con la FIG. 4, se determinan las características del la planta de banano, para conocer las especies existentes. La morfología del banano permite identificar la función del raquis y otras partes de la planta del banano vinculadas al mismo. 2.2.1.1

El Banano

Planta herbácea tropical, su nombre científico es Musa spp. Pertenece a la familia de las musáceas. Alcanza una altura de 2 a 3 m y un fuste de unos 20 cm de diámetro, formado por las vainas de las hojas, enrolladas apretadamente unas sobre otras y terminadas en un amplio limbo, su fruto es largo, cilíndricornoso, sin semillas y de piel amarillenta.15

14 15

HERNÁNDEZ Rubén, Botanical Book, 2001, p. 8. MONTALVO Mercedes, Viaje a la Habana, 2008, p. 35.

14 – 150

2.2.1.2

Taxonomía

De acuerdo con la Estación Experimental de Cultivos Tropicales – INTA16, la clasificación taxonómica de la planta del banano es: TABLA 5: TAXONOMÍA DEL BANANO Reino:

Plantae

División: Magnoliophyta Clase:

Liliopsida

Orden:

Zingiberales

Familia:

Musaceae

Género:

Musa

FUENTE: Características del Banano Simmonds y Shepherd, Estación Experimental de Cultivos Tropicales – INTA, 2001, p. 4.

2.2.1.3

Especies

En la nomenclatura del banano se distinguen tres variedades y usos: Banano se aplica a los cultivares cuya fruta se come fresca, Plátano a los que se comen cocinados o asados y Guineo a los bananos pequeños que se comen frescos; esta nomenclatura no se usa en todos los países latinoamericanos. Los nombres técnicos más usados hasta ahora son Musa Sapientum para ambos bananos y Musa paradisiaca para los plátanos. Los estudios modernos en genética de las Musas cultivadas como frutales, demuestran que esos nombres no pueden continuar en uso, y deben reemplazarse por Musa acuminata y Musa balbisiana respectivamente. Los bananos tienen solamente el genoma acuminata (AAA), mientras que los plátanos y guineos tienen los genomas acuminata y balbisiana (AAB o AAA).17 2.2.1.4

Morfología

De acuerdo con la Estación Experimental de Cultivos Tropicales – INTA18, las partes que componen la planta del banano se observan en la FIG. 5:

16

FAGIANI María Julia, Estación Experimental de Cultivos Tropicales – INTA, 2001, p. 1. Inst. Interamericano de Cooperación para la Agricultura, Compendio de Agronomía Tropical, 1981, p 95. 18 FAGIANI María Julia, Estación Experimental de Cultivos Tropicales – INTA, 2001, p. 2. 17

15 – 150

FIG. 5: PLANTA DE BANANO

FUENTE: Elaboración propia en base a FAGIANI María Julia, Estación Experimental de Cultivos Tropicales – INTA, 2001, p. 2.

De acuerdo con LEON19, las partes que componen la planta del banano tienen la siguiente descripción: A) Pseudotallo También llamado falso tallo, es la parte aérea de la planta, formado por las vainas envolventes de las hojas. El verdadero tallo aéreo que se eleva del cormo, lleva numerosas hojas. B) Fruto Se desarrolla de los ovarios de las flores pistiladas por aumento del volumen de las tres celdas del ovario. Los ovarios abortan y salen al mismo tiempo los tejidos del pericarpio o cáscara y engrosan hasta la maduración. C) Raquis También llamado pinzote o vástago de banano, es parte de la estructura del eje floral (racimo del fruto e inflorescencia), está cubierta de finos pelos verdes en la parte externa. En el interior está formado por parénquima, rico en almidón, recorrido por canales de látex y en su estructura está formado por haces fibrvasculares o finos distribuidos por todo el tallo. Tan pronto cesa de tener sostén del pseudotallo, el raquis se inclina hacia abajo por el peso de la inflorescencia.

19

LEON Jorge, Fundamentos Botánicos de los Cultivos Tropicales, 1989, pp. 115 – 120.

16 – 150

2.2.2 Composición de la Fibra del Raquis de Banano Los materiales leñosos, semi leñosos y no leñosos se constituyen de ceras, grasas, pectinas, azucares, almidones, taninos y colorantes en diferentes proporciones de acuerdo al material vegetal. Sin embargo los principales componentes de las fibras o de la biomasa lignocelulósica son los polímeros constituyentes de todas las paredes celulares de los materiales vegetales: 2.2.2.1

α-celulosa

Según Marx-Figini20, la celulosa es la base estructural de las plantas, es de carácter higroscópico, siendo químicamente definida como un heteropolímero lineal constituido por unidades de D-glucopiranosa unidas mediante enlaces glucosídicos en la configuración β(1-4), donde dos moléculas de glucosa se unen por la eliminación de una molécula de agua entre dos grupos hidroxilo de los carbonos C1 y el C4 de la otra unidad para formar la molécula de celobiosa, un disacárido que representa la unidad constitutiva de la celulosa. La unidad estructural de la celulosa es la celobiosa (disacárico) con longitud 1,03nm. 2.2.2.2

Holocelulosa y Hemicelulosa

Según

Marx-Figini21,

la

holocelulosa

representa

la

fracción

total

de

polisacáridos, es decir, celulosa más hemicelulosas. La hemicelulosa es heteropolisacárido de alta masa molar, que se encuentra constituidos por pentosas hexosas y ácidos urónicos, enlazados entre sí por enlaces glicosídicos, formando estructuras ramificadas y en general amorfas, que reducen cristalinidad de la estructura de la planta. Ambos son heteropolisacáridos que, al igual que la celulosa, tienen la función general de soporte en las paredes celulares y poseen un grado de polimerización inferior al de la celulosa. Las hemicelulosas al contrario que la celulosa están compuestas por diferentes monosacáridos formando cadenas más cortas y con ramificaciones, fácilmente hidrolizables en sus monómeros: D-glucosa, D-manosa, D-xilosa, L-arabinosa, ácido 4-O-metil-D-glucurónico, ácido D-galacturónico y L-ramnosa. Algunas hemicelulosas están asociadas a la porción celulósica, mientras que otras están asociadas a la lignina. 20 21

Centro de Información y Gestión Tecnológica, IBID

17 – 150

2.2.2.3

Lignina

Según Marx-Figini22, es una macromolécula fonólica compleja, un polímero altamente

ramificado

de

los

grupos

fenilpropanoides,

se

encuentra

covalentemente unida a la celulosa y otros polisacáridos de pared celular. Las unidades de fenil propano se unen por enlaces C-O-C y C-C, presentado en su estructura grupos hidroxilos, carbonilos, metoxilos y carboxilos, posee la propiedad de aglutinante manteniendo unida la estructura de los polisacáridos que da consistencia fibrosa a las plantas. La lignina se encuentra en la pared celular de varios tipos de tejidos de soporte y transporte en el xilema, es insoluble en agua. Después de la celulosa, es el polímero más abundante en el mundo vegetal de carácter hidrófobo, protege a los tejidos contra la humedad y los agentes atmosféricos. Es muy diferente de la celulosa y de las hemicelulosas, pues es un polímero aromático formado por la condensación oxidativa de los precursores fenólicos (alcohol p-cumarílico, alcohol coniferílico y alcohol sinapílico. Se concluye que, conocer la composición de la fibra permite saber si la fibra realmente es adecuada para la fabricación de papel, un alto contenido de celulosa y un bajo contenido de lignina dan como resultado mayor rendimiento del proceso de obtención de papel. 2.2.3 Tamaño de la Fibra del Raquis de Banano De acuerdo POCHTECA23 el tamaño de las fibras para la fabricación de papel tiene una importancia significativa para la calidad del mismo, el tamaño de fibra está relacionado con el tipo de material vegetal que se va a tratar. Las fibras de celulosa, con relación a su configuración, pueden variar según su longitud, diámetro global y espesor de sus paredes. Relativamente a la calidad de la pasta que se desea obtener, la dimensión de la fibra es una característica muy importante, fácilmente relacionada con la resistencia del papel. Aparece así una diferencia entre pastas de fibra larga y pastas de fibra corta. La fibra

22 23

Centro de Información y Gestión Tecnológica, POCHTECA,

18 – 150

larga está asociada a las maderas de coníferas y la fibra corta a las maderas de frondosas en materiales leñosos. Por ejemplo las maderas duras como árboles tropicales y eucaliptos tienen fibras muy cortas, en contraste las maderas blandas y materiales, semi leñosos y no leñosos poseen fibras largas. Las fibras muy cortas pueden provocar que el papel no tenga resistencia a la tracción y a la rotura; mientras que fibras muy largas provocan aglomeraciones, superficies irregulares en el papel y mayor resistencia. El proceso de reciclado acorta el tamaño de fibra, lo que resulta en una pérdida de fuerza de las mismas, por lo que casi siempre es necesario mezclar el desperdicio con fibra virgen. De acuerdo con el tamaño de fibra se puede concluir que es necesario identificar el tamaño de fibra para conocer la calidad del producto final.

TABLA 6: ANÁLISIS COMPARATIVO DE CARACTERÍSTICAS DE LA PLANTA DEL BANANO Instrumento

Ventaja

Desventaja Requieren de datos de investigaciones preliminares

Distribución y Hábitat Taxonomía

Especies

Morfología Pseudotallo

Permite conocer el orden y jerarquía de la planta de banano Identifica los posibles objetos de estudio para la investigación Identifica las partes de la planta del banano que se cosechan Residuo de la planta del banano

Raíz Inflorecencia Hojas Producto que se cosecha y que está vinculada con el residuo principal Residuo de la cosecha Raquis del banano FUENTE: Elaboración propia

19 – 150

No

Sí

Sí

Sí Sí No son residuos de la planta del banano

Fruto

Utilización

No

Sí Sí

2.3 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS RESIDUOS DE LA COSECHA DEL BANANO FIG. 6: MAPA CONCEPTUAL DE IMPACTO AMBIENTAL IMPACTO AMBIENTAL

RESIDUOS ORGÁNICOS

Aspectos ambientales

RESIDUOS INORGÁNICOS

REUTILIZACIÓN Y RECICLAJE

Impactos Ambientales

Descomposición orgánica

Aguas de lixiviación

Emisión de Gases FUENTE: Elaboración propia en base a GONZALES Herrera, Contaminación por Basura, 2007, pp. 15 - 16.

El impacto ambiental es una alteración de una determinada variable ambiental provocada por la acción antropógena. Por variable ambiental se puede entender cualquier variable que describa algún aspecto del ambiente.24 Es la modificación del ambiente producido por la acción del hombre o de la naturaleza, ocasionando efectos adversos sobre la salud, seguridad humana o eco-sistema. 2.3.1 Residuos Orgánicos Los residuos orgánicos son biodegradables (se descomponen naturalmente). Son aquellos que tienen la característica de poder desintegrarse o degradarse rápidamente, transformándose en otro tipo de materia orgánica. Según

CARDONA25,

estos

residuos

impactan

negativamente

el

medioambiente. Al generar el crecimiento de diversos microorganismos en zonas donde no deberían crecer, acumulan agua y forman hongos.

24

RODRÍGUEZ Córdova, Economía y recursos naturales, 2006, p. 167.

20 – 150

Los residuos, cuando se hallan por separado, están limpios y son fáciles de manejar, no generan contaminación. Lo que contamina es la mezcla de los desperdicios cuando se los coloca en un solo lugar, por ejemplo la acumulación de raquis de banano. Al haber materia orgánica mezclada con materia inorgánica se produce la contaminación y el mal olor26. Estas cantidades de basura afectarán el medio ambiente, ya sea en la calidad del aire cuando llegan a él gases provenientes de la descomposición de la basura; del suelo cuando los desechos se incorporan a él, o del agua si los residuos se vierten en ella o simplemente si son arrastrados por las lluvias. 2.3.2 Impactos Ambientales Los impactos ambientales generados por la acumulación y abandono de los residuos agrícolas de la cosecha del banano en calles y mercados de la ciudad de La Paz; constituyen una molestia pública, obstruyen los desagües y drenajes abiertos, invaden los caminos, restan estética al panorama y emiten olores desagradables. 2.3.2.1

Descomposición Orgánica

El término descomposición se emplea de forma general para referirse a la destrucción (desintegración) de materiales orgánicos de origen animal, microbiano o vegetal de acuerdo con MANSON27, la descomposición de la materia orgánica tiene lugar por distintas poblaciones de microorganismos. -

Los compuestos de bajo peso molecular son descompuestos principalmente por levaduras saprófitas que son los colonizadores primarios.

-

Los colonizadores secundarios utilizan materiales más complejos, como los polisacáridos.

-

Los colonizadores terciarios metabolizan los polímeros más complejos, como la lignina.

25

CARDONA Alzate, Universidad Nacional de Colombia, Periódico UN, 26 Revista ECOMARCA, >http://www.mantra.com.ar/contecologia/organicoseinorganicos.html> 27 MANSON Harris, Instituto Interamericano de Ciencias Agrícolas, 1980, pp. 49 – 51

21 – 150

Los microorganismos del suelo incluyen bacterias, actinomicetes, hongos, algas, protozoos y virus. Si las condiciones ambientales son constantes, las poblaciones de microorganismos permanecen constantes. De acuerdo con la S.E.C.F28, existen tres estados de descomposición de la materia orgánica: A) Materia orgánica fresca Está formada por residuos sin transformar que mantienen una composición e incluso apariencia, similar a los tejidos originales. Se acumula en la superficie del suelo y llega a formar una capa de cierto espesor en algunos suelos que se denomina litter o mantillo. B) Productos transitorios Constituyen la materia orgánica en etapa de descomposición activa. Tras una pequeña fase de fragmentación se produce un ataque intenso

de los

microorganismos que afecta a sustancias de fácil descomposición y que liberan gran cantidad de energía en forma de calor, provocando así una gran proliferación microbiana. En una segunda fase disminuye el crecimiento microbiano y se liberan productos procedentes de materia orgánica y organismos muertos. C) Humus Las moléculas que habían sido simplificadas se agrupan y se polimerizan constituyendo un producto químicamente muy complejo y muy estable. 2.3.2.2

Aguas de Lixiviación

Las bacterias descomponen los residuos orgánicos utilizando procesos de respiración aeróbica (con oxígeno) y anaeróbica (sin oxígeno). El líquido resultante se mezcla con el agua de lluvia y otros desechos líquidos y produce una substancia conocida como aguas de lixiviación. Los lixiviados pueden definirse como líquidos que al percolarse por las capas del suelo u otro material sólido permeable, van disolviéndolo en su totalidad o a algunos de sus componentes. Los lixiviados pueden presentar un movimiento

28

Sociedad Española de Ciencias Fisiológicas,

22 – 150

horizontal, o sea que se desplazarán a lo largo del terreno, contaminando y dañando así el suelo y vegetación tanto del terreno como de zonas aledañas. Los lixiviados arrojan como resultado un pH de 9 y la presencia de una gran cantidad de sales, lo que se refleja en una alta conductividad, en ausencia de oxígeno y en alto contenido de metales pesados.29 2.3.2.3

Generación de gases

De acuerdo con RODRIGUEZ30, en una primera etapa en presencia de agua y enzimas bacterianas extracelulares se forman compuestos solubles de bajo peso molecular. En una segunda etapa, llamada metanogénica, debido a que produce una cantidad considerable de metano, además de bióxido de carbono, se da por la acción del calor producido durante la fermentación que alcanza los 70° C, donde se rompe la molécula de ácido acético y, en presencia de agua, da lugar a la formación de metano y bióxido de carbono, estos gases aportan al efecto invernadero. A) Metano (CH4) Proviene de la descomposición de la materia orgánica por acción de bacterias; se genera en los rellenos sanitarios; es producto de la quema de basura, de la excreción de animales y también proviene del uso de estufas y calentadores. B) Óxido nitroso (N2O) Se libera por el excesivo uso de fertilizantes; está presente en desechos orgánicos de animales; su evaporación proviene de aguas contaminadas con nitratos y también llega al aire por la putrefacción y la quema de basura orgánica. C) Dióxido de carbono (CO2) Es el gas más abundante y el que más daños ocasiona, pues además de su toxicidad, permanece en la atmósfera cerca de quinientos años. Las principales fuentes de generación son: la combustión de petróleo y sus derivados, quema de basura, tala inmoderada, falta de cubierta forestal y la descomposición de materia orgánica. 29 30

Organic Waste, RODRÍGUEZ Córdova, Economía y recursos naturales, 2006, p.167.

23 – 150

TABLA 7: ANÁLISIS COMPARATIVO DE IMPACTO AMBIENTAL Instrumento Residuos Orgánicos

Ventaja Corresponde a la acumulación de raquis de banano.

Desventaja

Sí No corresponde a la acumulación de raquis de banano. El raquis de banano se emplea para fabricar nuevos materiales (papel), no para reutilizarlo.

Residuos Inorgánicos

Reutilización y reciclaje

Utilización

Permiten conocer todas las consecuencias, para el Impacto Ambiental medio ambiente, que provoca la acumulación del raquis de banano. FUENTE: Elaboración propia

No

No

Sí

Se concluye que, los impactos ambientales de la generación de residuos orgánicos son provocados por la acumulación del raquis de banano en la ciudad de La Paz. La generación de gases de invernadero puede llega a ser despreciable comparado con el impacto provocado por vehículos y la actividad industrial, las aguas de lixiviación pueden llegar a contaminar otros alimentos presentes en el medio y la descomposición orgánica genera malos olores y puede contribuir a la putrefacción de otros alimentos.

24 – 150

2.4 OPERACIONES UNITARIAS PARA EL PROCESO DE OBTENCIÓN DE PAPEL FIG. 7: MAPA CONCEPTUAL DE OPERACIONES UNITARIAS OPERACIONES UNITARIAS TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA Extracción sólido - líquido

OPERACIONES FÍSICAS Y QUÍMICAS Operaciones físicas

MECÁNICA DE FLUIDOS

Operaciones químicas

Blanqueado Descortezado

Neutralizado

Secado Trozado Triturado Tamizado Formacion de la Hoja Prensado Encolado

FUENTE: Elaboración propia en base a MCCABE Warren, SMITH Julian, Operaciones básicas de ingeniería química, 2001, pp. 3 – 5.

Las operaciones unitarias son los pasos, estadios o unidades que son independientes del material que se procesa o bien otras características del sistema en particular. Tienen como objetivo modificar las condiciones de una determinada unidad de masa para conseguir una finalidad. 31 2.4.1 Identificación de las Operaciones Unitarias Se elegirán las operaciones unitarias mediante pruebas exploratorias y de acuerdo al desarrollo del experimento, para finalmente estructurar el proceso de obtención de papel a partir del raquis de banano.

31

OROZCO, Martha. Operaciones unitarias, 1989, p. 7.

25 – 150

De acuerdo con la FIG. 7, las operaciones unitarias para la obtención de papel se dividen en operaciones unitarias de transferencia de masa y operaciones físicas y químicas; a continuación se detallan todas las posibles operaciones destinadas a transformar papel a partir del raquis de banano, que podrían llegar a constituir el proceso experimental. 2.4.2 Transferencia de calor y Masa Cuando se ponen en contacto dos fases que tienen diferentes composiciones es posible que ocurra la transferencia de alguno de los componentes presentes de una fase hacia la otra y viceversa. Si se permite que estas dos fases permanezcan en contacto durante un tiempo suficiente, se alcanzara una condición de equilibrio bajo la cual no hay transferencia neta de dos componentes entre las dos fases.32 2.4.2.1

Extracción Sólido – Líquido

De acuerdo con TREYBAL33, los componentes de una fase sólida pueden separarse por disolución selectiva de la parte soluble de un sólido con un disolvente adecuado. La extracción sólido líquido se puede realizar en una sola etapa, denominada también lotes o lechos fijos, para efectos prácticos de la experimentación, la extracción sólido líquido se realizara en una sola etapa para cada muestra de raquis de banano. Además, el sólido debe estar finamente dividido para incrementar el área de contacto entre el disolvente líquido y soluto. FIG. 8: EXTRACCIÓN SÓLIDO – LIQUIDO EN UNA SOLA ETAPA

FUENTE: TREYBAL Robert, Operaciones de transferencia de masa, 1991, p 827

32 33

IBID, p. 8. TREYBAL Robert, Operaciones de Transferencia de Masa, 1991, p. 792

26 – 150

La extracción sólido líquido incluye la operación completa: mezcla y separación de las fases. De acuerdo con la FIG. 8 las corrientes que intervienen son: - Fase Sólida: está compuesto por el sólido insoluble y la totalidad del soluto. - Disolvente:

esta

corriente,

también

llamada

líquido

lixiviante,

está

compuesta, por solvente puro o por solvente con algo de soluto (si provienen de operaciones anteriores). - Sólido al Salir: después de la operación de lixiviación se separan las dos fases y el sólido lixiviado quedará con algo de solución remanente asociada al sólido. - Solución: esta corriente es la solución concentrada, llamada también extracto o micela. Sus componentes son: solvente (C) y soluto en solución (A). 2.4.2.2

Blanqueado

De acuerdo con ALVARES y ZARAGOZAN34, el blanqueado es una continuación del proceso de purificación de la celulosa. Las condiciones del proceso se regulan para producir la blancura final que se desea, sin que esto afecte a la concentración necesaria de la pasta. El proceso se realiza discontinuo en pilas de blanqueo o lotes para pequeñas producciones apta para realizar en la experimentación. -

Acido oxálico

-

Peróxido de hidrógeno

-

Hiposulfito sódico

-

Bisulfito sódico

-

Hipoclorito sódico o cálcico

-

Cloro molecular

-

Bióxido de cloro

Según JURAN35, con el lavado a fondo del material oscuro se impiden las perdidas químicas, se mejora el color y blanqueabilidad. Debe observarse atentamente la pasta tamizada por si contuviera impurezas, así se evita un incremento en el gasto de productos químicos y la excesiva fluctuación de la

34 35

ALVARES Blanco y ZARAGOZAN Carbonell, Química industrial, 1995, p 218 JURAN J.M, FRANK M Gryna y BINGHAM R.S, Manual de control de la calidad, 2005, p 980

27 – 150

concentración, que suelen ocurrir cuando se utiliza una excesiva cantidad de blanqueador para compensar la falta de limpieza de la pasta. Según RUSELL36, en la actualidad se buscan procesos de blanqueado totalmente libres de cloro (TCF), reemplazan el cloro y sus derivados por productos químicos basados en oxigeno, como el peróxido de hidrogeno. La reducción o la eliminación total del cloro tienen numerosas ventajas. El cloro es corrosivo para los equipos de producción, peligroso para los empleados y sumamente dañino para el medio ambiente. En cambio con el peróxido de hidrogeno se eliminan totalmente las emisiones de dioxinas, casi no emite ningún contaminante atmosférico, se consume menos agua y hasta puede reutilizarse varias veces. 2.4.2.3

Secado

De acuerdo con COULSON37, se entiende por secado la eliminación final del agua y a menudo esta operación sigue a la evaporación. El material pierde progresivamente humedad de su constitución, buscando equilibrio en el sistema en el que se encuentra, pudiendo presentarse de acuerdo al método y al tiempo de secado cambios en la coloración de la fibra, el secado puede realizarse al medio ambiente o mecánico (prensado). Con la excepción del secado parcial de un material mediante prensado o la eliminación de agua por adsorción, casi todos los procesos se secado implican la eliminación de agua por evaporación, requiriendo el suministro de calor. 2.4.3 Operaciones Unitarias Físicas Se ha restringido a operaciones unitarias físicas aquellos estadios donde los cambios son esencialmente físicos y afectan a la materia sin afectar sus propiedades químicas.38 2.4.3.1

Descortezado

De acuerdo a ODOR39, como su nombre lo indica, se trata de la eliminación de la corteza del material vegetal, pues ésta no tiene una cantidad aprovechable de celulosa, pero se reutiliza para la generación de energía. 36 37

38

RUSSELL Brown, La situación del mundo 2000: Informe del Worldwatch Institute, 2001, p 197 COULSON J.M, Ingeniería química: operaciones unitarias básicas, 2005, p 35

OROZCO, Martha. Operaciones unitarias, 1989, p. 8.

28 – 150

Para todas las pastas, menos las de calidad inferior se elimina la corteza. Los troncos son llevados a unos grandes cilindros huecos giratorios. El rozamiento que se produce entre los troncos y la pared interior del cilindro, hace que la corteza se separe del núcleo del tronco. Este procedimiento se lleva a cabo para materiales leñosos, para materiales semileñosos y no leñosos, la eliminación de la corteza se puede realizar con cortes longitudinales con la ayuda de un cuchillo. 2.4.3.2

Trozado

Es la operación que permite obtener piezas por cortes transversales con corteza o sin ella, de longitud variable. El trozado permite obtener fragmentos del material sólido más pequeños y manejables, que puedan ser empleados en el proceso productivo de acuerdo con las características del producto final y de las operaciones unitarias subsecuentes40. 2.4.3.3

Triturado

Según TREYBAL41, la reducción de tamaño es una operación de corte que permite reducir el tamaño inicial del sólido, generalmente se realiza el corte mediante la velocidad rotacional de cuchillas metálicas de un equipo. La reducción de tamaño se efectúa normalmente para aumentar la superficie de contacto, ya que en la mayoría de las reacciones en las que intervienen partículas solidas la velocidad es directamente proporcional al área de contacto con una segunda fase. En la extracción sólido liquido, la velocidad de extracción aumenta no únicamente debido al incremento del área de contacto entre el disolvente y el sólido, sino también porque reduce la distancia que debe penetrar el disolvente en el interior de las partículas para tener acceso a las más alejadas partes de soluto.

39

ODOR Alejandra, Elaboración de Papel Industrial, < http://www.adabiac.org/ccre/descargas/art10_industrial.pdf> 40 IBID, p. 5. 41 TREYBAL Robert, Operaciones de Transferencia de Masa, 1991, p. 790

29 – 150

Además, las propiedades de un material pueden depender en gran manera del tamaño de partículas, asimismo, puede conseguirse una mezcla mucho mas intima de sólidos si el tamaño de las partículas es pequeño. 2.4.3.4

Tamizado

De acuerdo a SEOANEZ42, el tamizado es una operación básica en la que una mezcla de partículas sólidas se separa en dos o más fracciones que lo componen en función a su tamaño, pasándolas por un tamiz. Un tamiz está constituido por una red metálica o una superficie que contiene cierto número de partículas de igual tamaño que retienen las partículas de dimensiones superiores, cuya superficie puede ser plana o cilíndrica. Los tamices de pequeña capacidad se denominan tamices. Si el componente que se desea separar se encuentra en una suspensión sólido – líquido la operación se denomina filtración. La filtración se puede definir como la operación donde el componente sólido insoluble de una suspensión se separa del componente líquido, haciendo pasar este ultimo a través de una membrana que retiene las partículas sólidas en su superficie43. 2.4.3.5

Formación de la Hoja

Para la formación de la hoja existen dos métodos los cuales tienen el objetivo de aglomerar las fibras a un determinado espesor y disminuir la cantidad de agua de la pasta. A) Laminado De acuerdo con GROOVER44, el laminado es un proceso de deformación en cual el espesor del material de trabajo se reduce mediante fuerzas de compresión ejercida por rodillos opuestos. Los rodillos giran para jalar el material de trabajo y simultáneamente apretarlo. Se utiliza para reducir el espesor de una sección transversal rectangular.

42

SEOANEZ Calvo, Manual de tratamiento, reciclado, aprovechamiento y gestión de aguas, 2002, p 56 IBID, p. 64. 44 GROOVER, Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas, 1997, p 448 43

30 – 150

B) Técnica de la Malla Continua Según ODOR45, se utiliza una máquina de malla continua, en la que se va depositando la pulpa preparada, se elimina el exceso de agua en la pasta por drenado, vibración y succión. La malla, al estar en movimiento durante el proceso, hace que las fibras se orienten preferentemente en sentido paralelo a ésta, una vez formada la hoja se conoce como el „hilo‟ o „grano‟ del papel. 2.4.3.6

Prensado

De acuerdo a MALLOL46, el prensado es una operación por medio de la cual se fija una forma plana a una superficie lisa o ranurada, se comprime el material es una posición estática. En la fabricación de papel, esta operación asegura que la pasta pierda humedad

antes

del

sacado.

Además

esta

operación

permite

un

entrelazamiento de las fibras dándoles mayor cohesión y consistencia. Normalmente se utilizan fieltros47 y un material adsorbente frio o metal calentado con vapor de agua, conjuntamente con la presión que permita la máxima eliminación del agua. 2.4.3.7

Encolado Superficial

Consiste en la aplicación de un adhesivo diluido en la superficie del papel. Puede aplicarse con rodillos o por aspersión, por una o ambas caras del papel48. Se añaden productos minerales o cargas para darle al papel ciertas propiedades como blancura o para que no se corra la tinta en la superficie, se añade colas de resina de pino que se precipitan con sulfato de aluminio. Si se quiere mayor impermeabilización, se añade resinas de melanina. Para que el papel sea más rígido se añade almidones. Por último si se quiere dar color al papel, se añaden colorantes orgánicos.

45

ODOR Alejandra, Elaboración de Papel Industrial, sin ac.org/ccre/descargas/art10_industrial.pdf> 46 MALLOL Katia, Papeles rústicos y Artesanales, 2004, p 27. 47 Material rígido y compacto de algodón puro. 48 IBID, p. 6.

31 – 150

año,

<

http://www.adabi-

2.4.3.8

Otras operaciones de acabado

A) Acabado Dependiendo del tipo de papel y su finalidad, podrá tener distintos acabados como el calandrado, que consiste en pasar el papel entre dos cilindros de madera o metal que con presión (y a veces calor), homogeneízan el grosor de la hoja, satinan la superficie y compactan las fibras, generando papeles más resistentes, homogéneos y con una superficie más lisa49 B) Refinado El refinado busca una mayor desfibrilación de las fibras resultantes de la digestión o extracción sólido líquido. Consiste en una separación de las capas de celulosa que componen a las fibras, para aumentar la superficie de contacto entre ellas y generar así mayores puntos de unión y papeles más resistentes. El grado de refinación de las fibras determinará varias características del papel, por lo que a mayor refinación: -

Habrá mayor resistencia a la explosión (presión sobre el papel), pues las fibras tienen más puntos de contacto entre ellas.

-

El papel tendrá mayor densidad

-

El papel tendrá menor opacidad y por lo tanto mayor translucidez, pues habrá menos espacios de aire entre las fibras, que son translúcidas.

-

El papel será más sensible a la humedad, por la gran cantidad de fibras y microfibras que reaccionan ante ésta.50

2.4.4 Operaciones Unitarias Químicas Se ha restringido a operaciones unitarias químicas a aquellos estadios donde los cambios en la materia están relacionados esencialmente a las propiedades químicas de la materia. 2.4.4.1

Neutralizado

Una reacción de neutralización es una reacción entre un acido y una base, Si la reacción de neutralización es entre ácido fuerte (HCl) y base fuerte Na(OH) se produce sal más agua, mientras que si una de las especies es de naturaleza 48 50

MALLOL Katia, Papeles rústicos y artesanales, 2004, p. 20. IBID, p. 25.

32 – 150

débil se obtiene su respectiva especie conjugada y agua, es así que una neutralización es la combinación de cationes hidrógeno y de iones hidróxido para formar moléculas de agua con este proceso se generan sales, estas reacciones son generalmente exotérmicas, respondiendo a la siguiente reacción general: Acido + Base  Sal haloidea De acuerdo con MALLOL, en el neutralizado de pulpa, si se pretende eliminar un componente no deseado del sólido, la operación se denomina lavado. Con el lavado a fondo del material oscuro se impiden las perdidas químicas de productos blanqueadores, se mejora el color y la blanqueabilidad. Además el lavado permite eliminar los residuos del material disolvente y la lignina residual, resultantes de la extracción de celulosa, reduciendo de esta manera en PH de la pasta.51 En la identificación de las operaciones del proceso de obtención de papel se contemplan todas las operaciones que logran cambios en la pulpa y materia prima para obtener papel, sin embargo es probable que de acuerdo con las características de la fibra algunas queden fuera del proceso experimental. En conclusión las operaciones de transferencia de masa permiten realizar la extracción de la celulosa, las operaciones físicas permiten modificar la calidad de la pulpa para convertirla en una hoja de papel y las operaciones químicas permiten una mejora en la calidad de la pasta. 2.4.5 Estructura del Proceso de Obtención de Papel De acuerdo con FERNANDEZ52, para representar las operaciones de forma gráfica se pueden utilizar flujogramas de proceso, este recoge la interrelación de las distintas funciones de un ciclo. La finalidad de los flujogramas es contribuir a que con un golpe de vista se comprenda en el proceso observando la secuencia de las operaciones.

51

Universidad del país vasco, Artículo científico reacciones 52 FERNÁNDEZ Mario, Fundamentos de la gestión por procesos, 1998, p. 105.

33 – 150

acido

base,

Si el flujograma está constituido solamente por operaciones se denomina Diagrama de Operaciones y puede representar la secuencia de actividades de un proceso. Se concluye que en la estructura del proceso de obtención de papel se realizara mediante un diagrama de operaciones, debido a que un proceso experimental no cuenta con los elementos de un flujograma de procesos. 2.5 VARIABLES PARA EL PROCESO DE OBTENCIÓN DE PAPEL FIG. 9: MAPA CONCEPTUAL DE VARIABLES DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA

Blanqueado

Extracción sólido - líquido

Concentración del solvente Concentración del agente blanqueador

Secado

Humedad de equilibrio

Relación sólido - líquido

Tiempo de blanqueado

Temperatura

Tiempo de extracción

Tiempo de agitación

FUENTE: Elaboración propia en base a HOLMAN J. P., Transferencia de Calor, 2001, p. 12 y TREYBAL, Operaciones de transferencia de masa, 1991, p. 792.

De acuerdo con la FIG. 9, todas las variables para el proceso de obtención de papel se detallan para las operaciones unitarias de transferencia de masa, las cuales están detalladas en la FIG. 7. 2.5.1 Determinación de Variables La determinación de las variables para el proceso experimental están relacionadas con las operaciones, por lo tanto se analizarán todas las variables en el desarrollo de la experimentación. 34 – 150

2.5.2 Variables Transferencia de Masa 2.5.2.1

Concentración del solvente

De acuerdo a ROCHA53, la concentración de una solución es la proporción entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolvente, y la solución es el resultado de la mezcla homogénea de las dos anteriores. La disolución es menos concentrada si es menor la proporción de soluto disuelto en el disolvente y será mayor si la proporción de soluto es mayor en la disolución. 54 El tiempo y la temperatura de extracción estarán en función a la concentración de la disolución. 2.5.2.2

Relación sólido – líquido

Según ROCHA, la relación solvente/alimentación, es la expresión que muestra la cantidad de solvente destinado a separar una determinada masa de soluto. R S−L =

D F

(2)

D = disolvente F = alimentación Es imprescindible que toda la materia con la cual se trabaje quede sumergida en la solución para poder obtener una mayor velocidad de reacción, por lo que la relación solvente/alimentación dependerá del grado de inmersión de la alimentación. 2.5.2.3

Temperatura y Tiempo de Extracción

De acuerdo a ROCHA, la temperatura es la variable que se controla al momento de realizar el proceso de extracción sólido – líquido, a temperaturas más elevadas la viscosidad de la solución es menor y la difusividad de lignina será mayor, esta variable incrementará la velocidad de reacción y por consiguiente la mayor rapidez de la separación sólido – líquido, sin embargo el control de tiempo será imprescindible ya que en un grado de separación muy elevado, determina un rendimiento de materia prima reducido.55 53

ROCHA Fredy, Adecuación tecnológica para la obtención de pulpa de papel a partir de los residuos de la cosecha de cereales, 2002, p. 35. 54 IBID, p. 35. 55 IBID, p. 37.

35 – 150

2.5.2.4

Velocidad de agitación

Es la velocidad radial de un elemento de agitación necesario para mantener una pulpa en suspensión hasta que se logra extraer la celulosa, por lo tanto facilita el equilibrio sólido líquido. La velocidad de agitación debe ser lo suficientemente alta para mantener los sólidos en suspensión, para que no decanten. Una velocidad de agitación alta tiende a favorecer la cinética de la reacción hasta un límite donde perjudica la disolución56. 2.5.2.5

Concentración del agente blanqueador

La concentración del blanqueador determina la blancura final en la pasta, sin que esta concentración afecte a la composición del producto, por lo tanto la adición de blanqueador está en función a la concentración de la pasta, la temperatura y el tiempo. Se busca que el blanqueador ataque y oxide la lignina residual sin atacar a la celulosa57 2.5.2.6

Humedad

De acuerdo con la norma NB 508 – 84 es la cantidad de agua contenida en el material. En la práctica, se considera como humedad a la pérdida de peso de una probeta secada hasta peso constante en condiciones de ensayo normalizadas. Se expresa como un porcentaje de peso inicial de la probeta.58 El porcentaje de humedad se calcula con la formula siguiente: H=

G−Gs G

∗ 100

(3)

Donde: H = humedad referida al peso inicial en % G = el peso de la probeta, antes de iniciar el ensayo, en gramos. Gs = el peso de la probeta después del ensayo, en gramos. El resultado se expresa con una cifra decimal. En los casos que se prefiere expresar el resultado como humedad referida al peso final de la muestra

56

Solano ORIA, Prácticas de laboratorio de química orgánica, 1991, p 35. Juran,Frank M. Gryna,R.S. Bingham, Manual de control de la calidad, 2005, p, 980. 58 Norma NB 508 – 84, p. 2 57

36 – 150

después de su secado, el resultado es el porcentaje de humedad a peso seco.59 FIG. 10: MAPA CONCEPTUAL DE VARIABLES FÍSICAS Y QUÍMICAS OPERACIONES FÍSICAS Y QUÍMICAS Variables Fisicas Descortezado Peso de la corteza

Trozado Tamano de trozos

Triturado Tamano de particula

Tamizado Tamano de tamiz

Variables Quimicas Laminado Espesor de la Hoja

Prensado

Encolado

Tiempo de Prensado

Neutralizado

Peso del material encolante

pH del producto final

Humedad

FUENTE: Elaboración propia en base a MCCABE Warren, SMITH Julian, Operaciones básicas de ingeniería química, 2001, pp. 3 – 5.

De acuerdo con la FIG. 10, todas las variables para el proceso de obtención de papel se detallan para cada una de las operaciones unitarias físicas y químicas con las que están vinculadas. 2.5.3 Variables Físicas 2.5.3.1

Peso de la corteza

Es el resultado de la eliminación de la parte exterior y dura, denominado corteza, de un material vegetal expresado en kg o g, en el sistema SI.60 2.5.3.2

Tamaño de trozos

Es toda pieza obtenida por cortes transversales con corteza o sin ella, de longitud variable cuyo diámetro mínimo es de 200 mm.61 2.5.3.3

Tamaño de partícula

El tamaño de partícula es la porción o parte menuda de la fibra resultante del proceso de triturado, puede variar de una a otra partícula,

pero se puede

expresar en general como una fracción del sólido inicial.62

59

Norma NB 508-84, pp. 3 - 4. AUSTIN George, Manual de procesos químicos en la industria editorial Mac Graw Hill, Primera edición, 1992, pp. 705-706. 61 IBID, p. 765. 62 IBID, p. 763. 60

37 – 150

2.5.3.4

Tamaño de tamiz

El tamaño de tamiz es la dimensión del diámetro de los agujeros del tamizador, esta dimensión permite separar los sólidos que sean menores a esta dimensión de los sólidos de mayor tamaño. Dependiendo de partículas que se quiera alcanzar puede haber dimensiones que van desde 5mm hasta 0.05mm.63 2.5.3.5

Espesor

Es el espesor o grosor en milímetros o micras de una hoja. Este valor se calcula después de medir una sola hoja colocada entre dos superficies planas y parejas sujeta a una presión uniforme. El espesor se mide mediante la utilización de un micrómetro; depende de la compactación del material, papeles de igual gramaje pueden tener espesores distintos. 64 2.5.3.6

Prensado

A) Tiempo de prensado El tiempo o duración de prensado es aquel que transcurre entre el comienzo y el final de la aplicación de una fuerza de prensado total. El tiempo de prensado depende mucho de la cantidad de humedad65 del material, la presión se mide en kg/cm2. B) Cantidad de fuerza Es la cantidad de fuerza ejercida sobre el material durante el tiempo de secado por prensa. Cuando se incrementa la presión a la prensa, se refleja un ligero incremento de la humedad en el material. En el prensado en seco la humedad del material esta típicamente por debajo del 5%, por lo tanto, la diferencia entre el prensado semiseco y seco es la cantidad de humedad en el material. 66 2.5.3.7

Peso del material encolante

La cantidad de carga o adhesivo diluido que se aplica en la superficie del papel se mide en gramos. No existe una relación directa entre la cantidad de pulpa y

63

TALLERES NUÑEZ S.A., < http://www.mallasycribas.com/el-cribado-en-el-siglo-xxi.html> NORMA NB 503 -84, p. 4. 65 WOLFGANG NUTSCH, Tecnología de la madera, 1996, p. 134. 66 GROOVER, Fundamentos de manufactura moderna, 1997, p. 426. 64

38 – 150

la cantidad de carga que se debe adicionar, pues esta depende de las propiedades de la pulpa.67 2.5.3.8

pH del producto final

El pH en el punto de equivalencia de una reacción de neutralización es diferente según la fortaleza del ácido y/o la base que se neutraliza. El pH en el punto de equivalencia es 7 ya que todos los iones hidronio han sido neutralizados por los iones hidroxilo, para dar H2O. 68 El análisis de las variables que intervienen en el proceso experimental se determinan las cantidades que a emplear en insumos y las condiciones de operación para obtener papel, por lo tanto, una combinación de las variables podrá lograr buenos resultados en el producto final, de acuerdo a las características que son deseadas en un papel de arte. 2.6 CARACTERÍSTICAS Y TIPOS DE PAPEL FIG. 11: MAPA CONCEPTUAL DE CARACTERÍSTICAS DEL PAPEL CARACTERISTICAS DE CALIDAD PARA PAPEL Tipos de papel y Usos Papel de Impresión y escritura

Papel de embalaje

Indicadores para papel Papeles artísticos

Gramaje Opacidad

Acuarela Dibujo Grabado Tinta Oleo Pastel

Blancura Resistencia a la rotura Carteo Capacidad de adsorcion

Artesanal

FUENTE: Elaboración propia en base a ÁLVAREZ Blanco, ZARAGOZÁ Carbonell, Química industrial orgánica, 1995, pp. 218-222. 67

MALLOL Katia, Papeles rústicos y artesanales, 2004, p. 35. Universidad del país vasco artículo científico reacciones acido base, 68

39 – 150

2.6.1 Características de Calidad de Papel Conjunto de propiedades inherentes al papel, que permiten juzgar su valor.69 La medición de las características del producto final permitirá determinar el uso más adecuado para el mismo de acuerdo con los tipos de papel existentes en el mercado; por otra parte, los papeles de mayor precio son los utilizados para técnicas de arte, comparados con papeles de uso masivo, además solo los proveen empresas importadoras de papel. 2.6.1.1

Gramaje

De acuerdo con la NB 11775 es el peso en gramos, de un metro cuadrado de papel o cartón, determinando en probetas especialmente acondicionadas. También llamado gramaje o peso en gramos.70 FIG. 12: PAPEL SEGÚN EL GRAMAJE Y RIGIDEZ

FUENTE: BRAZ Marcelo, Arte y producción grafica, 2007, p. 4.

De acuerdo con la FIG. 12, los papeles se clasifican en papel, cartulina y cartón según su rigidez y gramaje. El gramaje para papel o cartón se puede expresar por medio de la siguiente fórmula71: g

G = a ∗ 10 000 Donde: G = peso por metro cuadrado g = peso de la probeta en gramos a = área de la probeta72 en cm2 69

ALONZO García, Conceptos de organización industrial, p. 27. NORMA NB 11775, p. 13. 71 POCHTECA, 70

40 – 150

(4)

2.6.1.2

Opacidad

Un papel opaco es aquel que impide el paso de la luz a través de él. La opacidad se determina por la cantidad de luz transmitida por el papel. Si toda la luz se transmite y nada se refleja o absorbe, la opacidad será cero. Si nada de la luz se transmite y toda se refleja o absorbe, la opacidad será de 100%. La opacidad es la relación de la reflectancia difusa de una hoja sencilla de papel, respaldada por un cuerpo negro, con la reflectancia del mismo punto de la hoja de papel, respaldada por un cuerpo blanco. La opacidad TAPPI73 es la relación de la reflectancia de una hoja respaldada por la cavidad negra, y la reflectancia del mismo punto de la hoja respaldada por el estándar blanco de 89% de reflectancia. Se puede expresar por medio de la siguiente fórmula:74 Ro

Opacidad TAPPI = R

89

(5)

Donde: Ro = reflectancia de la cavidad negra R89 = reflectancia del 89% 2.6.1.3

Blancura

Un objeto que refleja toda la luz que incide en él, se ve blanco. Sin embargo, el papel blanco, normalmente está matizado de manera que se tiene un blanco azulado, o bien, rosado. Cuando se trata de medir la blancura de un papel, se mide la reflectancia a una longitud de onda de 475 nm, que corresponde al color azul en el espectro, y el valor que se obtiene es brightness, conocido comúnmente como blancura. En la práctica, el concepto que en inglés se conoce como brightness, proporciona la medida de la reflexión en la región azul del espectro, generando valores más bajos cuando hay un tono amarillento.75

72

NORMA NB 11775, p. 16. Technical Association of the Pulp and Paper Industry 74 POCHTECA, 75 UNION DE INDUSTRIALES LITOGRAFICOS, 73

41 – 150

2.6.1.4

Resistencia a la rotura

De acuerdo con las normas NB ISO 2493 y NB 505 para medir la resistencia de un papel, cartón o cartulina existen dos métodos: A) Resistencia a la rotura por tracción Es la medida de la resistencia del papel o cartón a tracción directa. Se define como la fuerza necesaria para romper una probeta referida a un ancho determinado en las condiciones especificadas en la norma. Se mide con la longitud límite estimada por cálculo que debería tener una tira de papel de cualquier ancho uniforme, para que se rompa por su propio peso cuando se suspenda por uno de sus extremos. El tiempo promedio a romper será de 10s, la velocidad con que se aplica la carga no es un factor determinante. L=

200 000t 3g

(6)

Donde: L = longitud de rotura en m g = peso por metro cuadrado g/m2 t = carga en kg para romper una probeta de 15 mm B) Resistencia a la Flexión Fuerza en mN necesaria para flexionar una probeta rectangular amordazada en uno de sus extremos, a través de un ángulo de flexión de 15 grados cuando se aplica una fuerza en un largo de flexión de 50mm y próxima al extremo libre de la probeta, en forma perpendicular al plano que incluye el borde próximo de la mordaza y el punto o línea de aplicación de la fuerza.76 2.6.1.5

Carteo

Describe el sonido que se produce al golpear el papel con el dedo o sacudirlo en el aire, contra la rigidez de la hoja. Cada papel posee un carteo diferente, es algo que se pone de manifiesto aplicando técnicas comparativas, y probando entre varias muestras. 76

NORMA NB 505, Determinación de la resistencia a la rotura por flexión, pp. 3-4.

42 – 150

El carteo depende del espesor, la flexibilidad y de la rigidez. La rigidez es la capacidad del papel para mantenerse estático cuando es sostenido en forma horizontal. Cuando la rigidez es muy elevada el papel se vuelve quebradizo o no se puede imprimir en el. A mayor espesor aumenta la rigidez y gramaje. La rigidez está relacionada con la pulpa celulósica por lo general los de fibra corta son más rígidos que los de fibra larga. 77 2.6.1.6

Capacidad de adsorción de tintas

Es la capacidad que tiene un papel para adsorber y retener tinta o cualquier otro producto como oleo o grafo, permitiendo que una obra permanezca inalterable en el tiempo. 78 La capacidad de adsorción de tintas está relacionado con el encolante aplicado y a la unión de fibras, por ejemplo, si las fibras tienen espacios significativos o intersticios, la tinta u otro material probablemente desaparecerá en el tiempo quitándole nitidez a la obra. TABLA 8: ANÁLISIS COMPARATIVO DE CARACTERÍSTICAS PARA PAPEL Instrumento Gramaje

Ventaja Principal especificación técnica para los usuarios, tiene un valor cuantitativo

De importancia para los usuarios se pueden emplear métodos de comparación cualitativa.

Carteo

Relacionado con la resistencia del papel, se pueden emplear métodos de comparación cualitativa

FUENTE: Elaboración propia 77

UNION DE INDUSTRIALES LITOGRAFICOS, 78 Secado de papel,

43 – 150

No

Sí

Requiere de equipos especiales para su medición

Capacidad de Adsorción

No

Sí Requiere de equipos especiales para su medición.

Resistencia a la Rotura

Utilización Sí

De poca importancia para los usuarios, requiere de equipos para su medición

Opacidad

Blancura

Desventaja

No

En conclusión, existen muchos indicadores para medir la calidad del papel, dentro de los más importantes para los usuarios de papel de arte están el gramaje, la blancura y el carteo; en menor medida la capacidad de adsorción de tintas y la resistencia la rotura, debido a que el carteo ya da razón de que tan resistente es un papel. La opacidad es despreciable por que los papeles de arte tienen un alto gramaje y están entre tonos blanco y amarillo; esto disminuye la opacidad considerablemente, los usuarios no consideran este indicador importante por lo tanto es irrelevante medirlo. 2.6.2 Comparación de Características de Calidad Cuando se aplica la medición a fenómenos que no cuentan con parámetros e indicadores tangibles, la elección de la unidad de medida resulta imposible por lo que la alternativa es aplicar técnicas de escalas.79 Para medir la variable dependiente (papel) es necesario contar con indicadores como que no siempre cuentan con una unidad de medida o no se cuentan en el medio con equipos para su medición, por lo que se tomará como parámetro otros tipos de papel para comparar el producto final por medio de escalas. 2.6.2.1

Técnicas de Escalas

Se utilizan para asignar número de orden o una unidad numérica a un parámetro o indicador determinado. A)

Escalas de Clasificación Continua

De acuerdo con ZEGARRA80, se presenta en teoría infinitas posibilidades de respuesta entre dos límites establecidos: FIG. 13: ESCALA DE CLASIFICACIÓN CONTINUA CARTEO DEL PAPEL Mayor Carteo

Papel Bond

Menor Carteo

Papel Kraft

Cartulina

Cartón

FUENTE: Elaboración propia en base a ZEGARRA Justiniano, 4 formas de laborar tesis y proyectos de grado, p. 53. 79 80

ZEGARRA Justiniano, 4 formas de elaborar tesis y proyectos de grado, p, 49. IBID, p. 53.

44 – 150

En conclusión, para la elaboración de la escala de clasificación continua se pueden utilizar papeles de arte que actualmente existen en el mercado de diferentes marcas. Esta técnica también permitirá determinar el uso más adecuado para el papel a partir de raquis de banano, observando las características de calidad que posee. 2.6.3 Identificación de los Usos para Papel Para identificar el uso del papel de raquis de banano se deben conocer los requerimientos de calidad de los papeles de arte, de acuerdo con el uso que va a tener, el papel debe poseer atributos que permiten su utilización para técnicas de arte. 2.6.3.1

Papeles artísticos

Son papeles usados para diversas técnicas de arte, las características de estos papeles están en función de los materiales a usar por el artista. Los papeles más apreciados para arte no deben tener residuos nocivos. Por ejemplo, demasiado encolante producirá resultados irregulares, mientras que el papel demasiado absorbente tendrá efectos más apagados. 81 A) Acuarela Para efectos de la acuarela se prefieren los de alto gramaje y rugosos, para que empape bien el agua. También se usa para témpera. Los papeles prensados en caliente, dan unas superficies satinadas, suaves que al usar las acuarelas no adsorbe bien las aguadas, dejando una impresión opaca y sucia. FIG. 14: PAPEL PARA ACUARELA DE GRANO FINO, MEDIANO Y GRUESO

FUENTE: CEAC, Acuarela/wáter color, 2006, p. 75.

81

MAYER Ralph, Materiales y técnicas de arte, 1993, p. 345.

45 – 150

En cambio, los papeles presados en frío o sin prensar dan una superficie con una textura excelente para la adsorción y el flujo del agua, resultando unos bordes y contornos muy bien definidos.82 Como se puede observar en la FIG. 14, las irregularidades del grano dotan de profundidad al tono y color de la acuarela. No es conveniente usar alumbre y resinatos para fabricar papel de acuarela, ya que estas sustancias pueden tener efectos sobre los sencibles pigmentos.83 B) Dibujo Los papeles más usados para dibujo son de papel resistente y de grano grueso cuando se trabaja con carboncillo, pero para trabajar con lápiz o plumilla se prefiere un papel de grano fino. FIG. 15: PAPEL PARA DIBUJO DE GRANO GRUESO

FUENTE: FREIXAS Emilio, Lámina - Serie 5,

El papel opaco para dibujo tiene un color que varía desde blanco hasta el amarillento, ligeramente brillante, para dibujar se prefiere el doble encolado de estearina. Los papeles de dibujo tienen colores melocotón, índigo, gris y amarillo.84 C) Grabado El papel para grabado presenta un color amarillo paja o ocre oscuro, la técnica de grabado requiere del empleo de una superficie que resista un esfuerzo cortante en una de sus caras.

82

CEAC, Acuarela/ Watercolor: Curso De Dibujo Y Pintura, 2006, p 75. IBID, p. 78. 84 Universidad Nacional Autónoma de México, Artes plásticas, 2005, p, 5. 83

46 – 150

FIG. 16: PAPEL PARA GRABADO

FUENTE: HOTES Germán,

El papel para grabado es similar al de acuarela, no debe tener encolado, debe tener un grano fino y cualquier gramaje. 85 D) Tinta Los trazos con tinta china de grueso igual o superior a 2 mm no deben correrse sobre el papel ni quedar bordes difuminados, el borrado no debe dejar huella alguna.86 FIG. 17: PAPEL PARA TINTA CHINA

FUENTE: ESPINOZA Mariano,

E) Oleo Los papeles para pintar al oleo y el llamado papel para pintar universal están constituidos por masa de papel bien encoladas y muy compactas y tienen que resistir notables tensiones de tracción, generalmente tienen pesos mayores a 200g/m2. FIG. 18: PAPEL PARA PINTURA AL OLEO

FUENTE: LAURORA Mariela, Mirada escondida,

85 86

SCHNEIDER Wilhelm, Manual práctico de dibujo técnico, 2007, p. 16. Papel para tinta china, < http://www.todoart.com/papeles.htm>

47 – 150

Para este tipo se realiza una mezcla entre fibras largas y cortas. El tamaño de grano no tiene influencia en la adhesión de la pintura pero si influye en la brillantez y luminosidad, una estructura erosiva es sumamente absorbente para usar tintas y pinturas liquidas en las cuales se deben añadir encolantes.87 F) Pastel Para la técnica de dibujo al pastel se utiliza fibras cortas y largas, con mayor cantidad de fibras largas, con un grano medio y elevados gramajes. FIG. 19: PAPEL PARA DIBUJO AL PASTEL

FUENTE: LAURORA Mariela,

En los papeles de dibujo o pastel se aprovecha la acción erosiva de estas fibras, que desgarran el material, arrancándole partículas que retienen en sus intersticios. Debido a que se utilizan barras de pigmentos en polvo, el papel para esta técnica debe tener por lo menos un gramaje medio para preservar los pigmentos.88 G) Artesanal El papel artesanal es fabricado hoja a hoja, a diferencia de la formación continua típica de la industria. Entre sus características principales se puede citar la ausencia de un sentido o dirección de las fibras y la presencia de formaciones irregulares en los bordes que añade rusticidad muy apreciada en el mercado.

87 88

Papel para oleo y acrílico, Papel para pastel,

48 – 150

FIG. 20: PAPEL ARTESANAL

FUENTE: BELTRAN Gabriela,

Su forma de elaboración posibilita el agregado de pétalos, hierbas y un sin fin de elementos decorativos y puede ser aplicado en lámparas, mamparas, sobres, tarjetería, cuadernos y álbumes, o como soporte de dibujo y pintura89.

En conclusión los papeles para arte son seleccionados por su gramaje, color, textura, tamaño de fibra, tamaño de grano y su resistencia, pero de forma adicional, cualquier papel para arte debe tener un pH neutro para preservar la obra que se va a plasmar en él. Los usuarios o artistas eligen el tipo de papel en el cual van a trabajar de acuerdo los efectos que quieren para su obra, por tanto los indicadores o características de calidad no son puntuales, se encuentran en rangos.

89

Garza papel,

49 – 150

3. MARCO PRÁCTICO 3.1 DISEÑO METODOLÓGICO De acuerdo con los objetivos específicos, a continuación se definen los fundamentos teóricos e instrumentos que se requieren para elaborar el contenido del marco práctico.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar un diagnóstico de la situación actual

Caracterizar de las fibras del pinzote de banano

Establecer las operaciones del proceso experimental para obtener papel

Determinar las variables que intervienen en el proceso experimental

Determinar la planificación para la experimentación

TABLA 9: DISEÑO METODOLÓGICO FUNDAMENTO ACCIONES TEÓRICO Tipificación de la Planta de Banano Identificar el tamaño de fibra Identificar los componentes de la fibra Identificar las operaciones unitarias para la obtención de papel Estructurar el proceso con las operaciones que intervienen en el proceso Analizar cada operación y determinar las variables que inciden en cada una de ellas Planificar el desarrollo de la experimentación Determinar recursos para la experimentación

Botánica Metodología de la Investigación Química

INSTRUMENTO Plantas Tropicales Investigación Documental Análisis de la Calidad de la Fibra

Química

Análisis Químico Cuantitativo

Operaciones Unitarias

Operaciones de Transferencia de Calor y Masa

Ingeniería de métodos

Flujograma de Procesos

Operaciones Unitarias

Operaciones de Transferencia de Calor y Masa

Metodología de la Investigación

Planificación del Experimento

Metodología de la Investigación

Planificación del Experimento

(CONTINUA)

50 – 150

TABLA 9: DISEÑO METODOLÓGICO (CONTINUACIÓN) Realizar experimentación Desarrollar la experimentación Registrar datos y resultados obtenidos Determinar las características del papel obtenido Interpretar los resultados obtenidos

Operaciones Unitarias

Operaciones de Transferencia de calor y masa

Metodología de la Investigación

Experimentación

Operaciones Unitarias Metodología de la Investigación Control de Calidad

Metodología de Comparar con la Investigación otros tipos de papel e identificar el uso Control de del papel obtenido Calidad Realizar la interpretación teórica de la experimentación

Operaciones Unitarias

Operaciones de Transferencia de Calor y Masa Diseño Experimental Características de Calidad de Papel Técnicas de Medición Características de Calidad de Papel Operaciones de Transferencia de Calor y Masa

FUENTE: Elaboración propia en base a ZEGARRA Justiniano, Manual para la elaboración de Trabajos de grado nivel licenciatura, p. 16.

3.2 DIAGNÓSTICO DE LA SITUACIÓN ACTUAL 3.2.1 Tipificación de la Planta del Banano En el diagnóstico de la situación actual se identificarán las características de la generación de los residuos de la cosecha del banano en la ciudad de La Paz, partiendo de un análisis de la producción y comercialización de banano en el departamento de La Paz. También se identificarán las características de calidad que debe poseer un papel de acuerdo con técnicas de arte que se pueden llegar a emplear en él. 3.2.2 Distribución y Hábitat del Banano El cultivo del banano crece en climas cálidos y húmedos, se produce en las zonas tropicales de Bolivia, es originario de la Amazonía Subtropical, en sus variedades originales criollas es un producto abundante en la zona de Alto Beni y Sud Yungas donde toda la producción es orgánica. En la región del Chapare, del departamento de Cochabamba, se han introducido variedades mejoradas y parte de esa producción es orgánica. 51 – 150

3.2.3 Producción del Banano La producción de banano en Bolivia implica actividades de cosecha, almacenamiento y empaque para la exportación, la venta para el mercado interno se realiza por chipas y no requiere de empaque. Una chipa corresponde a seis racimos en promedio y a 7,5 cajas de 22 kg cada uno aproximadamente90. El ciclo de cultivo demora de 8 – 18 meses, en los trópicos, el cultivo puede ser de solo 7 meses en los cuales la planta alcanza su desarrollo y la cosecha se realiza durante todo el año. La mejor época de producción del banano se inicia en octubre y concluye en diciembre. Es el tiempo en el que más se exporta este producto y también es el tiempo de mayor consumo en el mercado interno. 3.2.3.1

Especies y Variedades de Banano

Previamente se debe hacer diferencia entre especies de banano y sus variedades, las especies están determinadas por los genomas Musa acuminata y Musa balbisiana, dentro de las especies existen variedades como el banano del genoma acuminata (AAA) o el plátano de genoma balbisiana (AAB). De acuerdo con los datos del IBCE91, las variedades de banano se distinguen por el tamaño y las características del fruto como su color y sabor. Las técnicas de producción y cosecha se realizan de la misma manera para todas las variedades de banano. Por lo tanto, las características morfológicas de la planta y del raquis de banano son las mismas para todas las variedades, pero no así, para las especies de banano. La FIG. 21 muestra la diferencia de tamaño entre Musa balbisiana y Musa acuminata; aunque el fruto de la Musa balbisiana es más grande su raquis es más pequeño.

90

Primer Taller de Cadenas Productivas: Acuerdos de Competitividad de la Cadena del Banano, Cochabamba, p. 13. 91 IBCE, CANEB, Revista Exportemos, Volumen No 24, Mayo 2010, p. 15.

52 – 150

FIG. 21: RAQUIS MUSA ACUMINATA Y MUSA BALBISIANA

FUENTE: TURRADO José, Pinzote como Fuente de Fibras para Papel, p. 3.

De acuerdo con la TABLA 10 las variedades de banano que se producen en Alto Beni y Sud Yungas son nueve y una variedad de plátano. De acuerdo con el número de cultivos existe mayor número de cultivos de banano (especie Musa acuminata) con un 89,04% de los cultivos totales en el departamento de La Paz, mientras que los cultivos de plátano (especie Musa balbisiana) ocupa solo el 10,96% para el año 2010. TABLA 10: CULTIVOS DE BANANO ESTABLECIDOS EN LA PAZ Numero de Especie Variedad % Cultivos Banano Caverdish 1344 Banano Dulce Cajita (Ladys Finger) 9 Banano FHIA 1 181 Banano FHIA 18 22 Musa 89,04% 191 Acuminata Banano Grand Naine Banano Mokotaqui 103 Banano Valery 2534 Banano Willams 353 Musa Plátano Papancha 583 10,96% Balbisiana FUENTE: Elaboración propia en base a Ministerio de Agricultura, Ganadería y desarrollo Rural - Vice ministerio de Desarrollo Alternativo, Registros del año 2010.

El mayor número de cultivos establecidos en el departamento de La Paz pertenecen a variedades criollas; el banano criollo es una variedad muy bien adaptada, de tamaño pequeño y de un sabor excelente. El banano FHIA es resistente a la Sigatoca Negra, por lo que no requiere agroquímicos. Son frutos grandes con poca curvatura excelentes para deshidratar. Estos bananos son variedades modificadas genéticamente que se implementaron el 2009 en Alto Beni.

53 – 150

3.2.3.2

Cosecha del Banano

En el proceso de cosecha del fruto se generan diferentes residuos de la planta del banano: A) Racimo El fruto se cosecha sin amarillear unos 80 días después de la apertura de la primera mano, los racimos se cortan enteros con un cuchillo bananero de hoja curva, se hace un pequeño corte con un machete a 1,8m del pseudotallo. Los 20 cm de tallo se usa como manija para trasladarlo al sitio de acopio o empacadora si el producto se va a exportar92. FIG. 22: COSECHA DEL BANANO EN ALTO BENI

FUENTE: ROSALES, BALCAZAR Y POCASANGRE, Producción y comercialización de banano orgánico de región de Alto Beni, p. 24.

B) Raquis También llamado pinzote, en el desmane del producto se utiliza un cuchillo bien afilado para hacer un corte pegado al raquis sin cortar la corona del fruto. El pedúnculo una vez separado se lleva a tanques de agua para la siguiente operación. Según ROSALES Y BALCAZAR93, existen otros residuos generados por esta actividad agrícola, por ejemplo en las prácticas de protección de los racimos se generan otros residuos como ser hojas y el pseudotallo94 de los hijos secundarios de la planta madre del banano. Además tras la cosecha, el pseudotallo del que ha brotado el racimo se deja secar o se arranca y esparce en el suelo para mejorar la reabsorción de su materia orgánica. 92

IBCE, CANEB, Revista Exportemos, Volumen No 24, Mayo 2010, p. 14 ROSALES, BALCAZAR Y POCASANGRE, Producción y comercialización de banano orgánico de región de Alto Beni, p 16. 94 De acuerdo con TURRADO el pseudotallo del banano también posee fibras que pueden ser aprovechado en la obtención de papel. 93

54 – 150

Los usos de los residuos de la cosecha del banano constan principalmente de tres productos: elaboración de abono orgánico a partir del pseudotallo, raquis, hojas y flores del banano; elaboración de harina a partir del pseudotallo, el raquis o el fruto del banano y elaboración de papel artesanal a partir del raquis y el pseudotallo. En conclusión, el principal residuo de esta actividad agrícola es el raquis de banano, está directamente relacionado con la cosecha del banano y representa un desecho sin valor alguno desde que se separa de los frutos. 3.2.3.3

Cuantificación de los Residuos de la Cosecha del Banano

En la provincia de Alto Beni dedicaron 3588 hectáreas al cultivo de banano y en la provincia de Sud Yungas se dedicaron 600 hectáreas en el año 200995, lo que hacen un total de 4188 hectáreas cultivadas de banano en el departamento de La Paz. De acuerdo con el INE96, el rendimiento anual (2009 - 2010) de la producción en este departamento es de 9.012 kg por hectárea cultivada; por lo tanto, la producción total de banano en este departamento es de 37.742 kg. De acuerdo con datos del IBCE97, la producción de los años 2008 al 2010 está destinada al consumo interno de la ciudad de La Paz en un 93%, desayuno escolar de la ciudad del Alto y La Paz en un 5%, supermercados en un 0,5%. También existen exportaciones desde el departamento de La Paz en productos de banano, plátanos frescos y deshidratados, estas exportaciones representan el 1,5% de la producción anual del departamento. Cuando se empaca el fruto para la exportación, desayuno escolar y supermercados, la chipa es transportada hasta las empacadoras ubicadas en las localidades donde se produce el banano.

95

Ministerio de Agricultura, Ganadería y desarrollo Rural - Vice ministerio de Desarrollo Alternativo 96 Instituto Nacional de Estadística, Producción de banano en el departamento de La paz 97 IBCE, CANEB, Revista Exportemos, Volumen No 24, Mayo 2010, p. 14

55 – 150

TABLA 11: CONSUMO ANUAL DE BANANO POR SECTOR Modo de Transporte Transporte en Chipas

Transporte empacado en cajas

Destino de la Producción

Cantidad [kg/año]

Consumo Interno

35.103

Exportaciones

566

Desayuno Escolar

1.887

Supermercados

189

FUENTE: Elaboración propia en base a datos del INE, producción de banano en Dpto. de La Paz e IBCE, CANEB, Revista Exportemos, Volumen No 24, Mayo 2010, p. 14

De acuerdo con la TABLA 11 la producción de banano en el departamento está dirigida al consumo interno en la ciudad de La Paz en su mayoría. Por tanto, esta cantidad de pinzotes de banano se acumulan como residuos en los mercados, otra cantidad se acumula en localidades productoras de banano. Para cuantificar la cantidad de pinzotes de banano que se desechan se utilizan los porcentajes de producción, para cada especie, reportados en la TABLA 10. Para calcular el número de chipas producidas se sabe que una chipa corresponde a seis racimos en promedio de 22 kg. Finalmente obtiene la cantidad de residuos mediante la relación entre el peso del pinzote por cada chipa, cada pinzote pesa 1,26 kg de Musa acuminata y 2,43 kg de Musa balbisiana98. TABLA 12: CANTIDAD DE PINZOTES DESECHADOS POR AÑO Cantidad de Pinzote Acumulación Numero de Especie Banano Desechado de Pinzote Pinzotes [kg/año] [kg/año] Musa 31.290 1.792 1.423 Acuminata Centros de Abasto Musa 3.847 425 175 Balbisiana FUENTE: Elaboración propia

Como se puede observar en la TABLA 12 las cantidades de pinzote de banano que se desechan al año son en total 1598, la mayor cantidad son las de la especie Musa acuminata, el lugar donde se desechan mayor número de pinzotes de banano son los centros de abasto, esto se debe a que la 98

TURRADO José, Pinzote como Fuente de Fibras para Papel, p. 4.

56 – 150

producción de banano en el departamento de La Paz está destinado, casi en su totalidad, al consumo de la ciudad. En cambio, la producción de banano en el departamento de Cochabamba está destinada en su mayoría a la exportación y en menor medida al consumo interno del resto del país. A) Ubicación de los Residuos de la Cosecha del Banano Según ROSALES99, los intermediarios o ranqueros de Alto Beni transportan el banano en chipas para tener mayor comodidad en el manejo del fruto hasta los centro de acopio. Los comerciantes mayoristas realizan la operación de desmane para la venta a minoristas, vendedores callejeros y consumidores finales, por lo tanto el raquis de banano es desechado y acumulado en los centros de acopio de los mercados de la ciudad de La Paz. Al mismo tiempo muchos mayoristas llevan los racimos cortados hasta mercados de otras zonas de la ciudad o en otras ocasiones, las vendedoras de dichos mercados compran racimos de banano al por menor directamente de los ranqueros. Casi todos los pinzotes de banano se desechan en los centros de acopio ubicados en los mercados de la ciudad de La Paz, a continuación se mencionan los más importantes: -

Mercado Rodríguez, Zona Norte

-

Mercado del Cementerio, Zona Norte

-

Mercado El Tejar, Zona Norte

-

Mercado de Villa el Carmen

-

Mercado de Villa Fátima

-

Tambos de la Max Paredes

B) Residuos de la Cosecha del Banano Los pinzotes de banano se encuentran en los puntos de acumulación de desechos orgánicos de los mercados y centros de acopio, como se puede observar a la derecha en la FIG. 23, los pinzotes son acumulados en puntos cercanos a la venta de banano al mayoreo en el mercado Rodríguez. 99

ROSALES, BALCAZAR Y POCASANGRE, Producción y comercialización de banano orgánico de región de Alto Beni, p 16.

57 – 150

A

través de una entrevista con las vendedoras de frutas del mercado

Rodríguez, se determino que los pinzotes de banano no tienen valor alguno para ellas, por lo tanto adquirirlos no tiene ningún precio. FIG. 23: ESTADO DEL PINZOTE DE BANANO

FUENTE: Obtención propia

Como se puede observar en la FIG. 23 el pinzote de banano se encuentra en estado de putrefacción en su sección más ancha, el resto se encuentra en estado apropiado para la obtención de papel. La parte inferior del raquis estaba unida al pseudotallo antes de cosechar el fruto, cuando este se desecha la parte inferior entra en estado de putrefacción por lo que el color de la corteza se torna negra con machas blancas (presencia de hongos) y las fibras de color marrón. Esto indica que se produce degradación orgánica por acción de hongos, levaduras y bacterias que se alimentan de la celulosa presente en la fibra100. Esta parte del raquis debe ser eliminado, después la recolección del mismo, para evitar que los organismos mencionados se proliferen y descompongan el resto del raquis. Esto imposibilitaría su uso por que los hongos, levaduras y bacterias cambian la composición de la fibra. En conclusión, el banano es una planta tropical que se produce en los climas cálidos del departamento de La Paz, donde el 89,04% de los cultivos pertenece a la especie Musa acuminata, la actividad de la cosecha del fruto del banano genera

residuos

agrícolas,

una

pequeña

cantidad

se

desechan

en

empacadoras y 1423 pinzotes son transportados hasta los principales

100

MANSON Harris, Instituto Interamericano de Ciencias Agrícolas, 2007, pp. 49 – 51.

58 – 150

mercados de la ciudad de La Paz donde son recolectados por el servicio de recojo de basura de la ciudad al no tener valor alguno. 3.2.4 Características de los Papeles para Arte Mediante una entrevista con los estudiantes de la Escuela Nacional de Bellas Artes se determinaron los indicadores que se emplean para identificar el uso más adecuado para un papel. Es importante que los papeles cumplan con determinados requisitos para una adecuada elaboración del trabajo artístico, por ejemplo, que el papel debe ser resistente, no se debe ondular o romper al aplicar acuarelas u otros tipos de pintura, la obra plasmada en el papel debe permanecer inalterable en el tiempo. Los papeles de arte son generalmente lisos en la superficie, pero también son muy cotizados lo papeles con relieves o texturas labradas en su superficie, este tipo de característica en los papeles de arte son difíciles de encontrar. Dentro de los indicadores más importantes para medir la calidad del papel de arte están el gramaje, la blancura y el carteo; en menor medida la capacidad de adsorción de tintas y la resistencia la rotura, debido a que el carteo ya da razón de que tan resistente es un papel. La opacidad es despreciable por que los papeles de arte tienen un alto gramaje y están entre tonos blanco y amarillo; esto disminuye la opacidad considerablemente, los usuarios no consideran este indicador importante por lo tanto es irrelevante medirlo. TABLA 13: CARACTERÍSTICAS DE LOS PAPELES ARTÍSTICOS PAPELES

ACUARELA

DIBUJO

GRABADO

TINTA

PASTEL

ARTESANAL

Gramaje

185 – 850

200

180 – 300

70 – 200

90 – 250

-

Color

Blanco

-

-

-

-

-

Fibra

Larga y Corta

Corta

Media

Larga y Corta

Larga y Corta

-

Textura

Grueso

Medio fino

Fino

Medio grueso

Medio

-

pH

7

7

7

7

7

7

FUENTE: http://www.canson-us.com

La TABLA 13, resume las características para papeles artísticos más valoradas por los artistas. 59 – 150

Los papeles de arte poseen un gramaje elevado, parecidos al de una cartulina, el color puede variar entre tonos amarillos a blancos, solo el papel de acuarela debe ser completamente blanco para resaltar los trazos de pintura, el tamaño de fibra para papel determina la resistencia de la hoja; esta característica depende del tipo de materia prima que se vaya a emplear para la fabricación de papel, la textura del papel de su gramaje depende del tipo de fibra, las fibras largas reproducen mayor resistencia; finalmente el pH del papel siempre debe ser neutro para evitar su desgaste y obtener un papel que permita que la obra plasmada quede inalterable en el tiempo. Conclusiones del Diagnóstico: La actividad agrícola de la cosecha del banano en el departamento de La Paz produce una mayor cantidad de residuos de la especie Musa acuminata, por lo tanto es posible que exista una mayor disponibilidad de esta especie para la fabricación de papel. Las especificaciones para papel de arte se encuentran en rangos reportados en la TABLA 13, dichas especificaciones dependen del tipo de fibra que se va a emplear. 3.3 CARACTERIZACIÓN DE LAS FIBRAS

DE RESIDUOS DE LA

COSECHA DEL BANANO En la caracterización de las fibras de los residuos de la cosecha del banano se establecerá el tamaño y composición de las fibras vegetales, las cuales serán utilizadas para la obtención de papel. Estas características permitirán establecer

las

operaciones

que

conformaran

el

proceso

para

la

experimentación. Las fibras de las especies vegetales están conformadas en su estructura por fibras de celulosa, lignina y hemicelulosa, la estructura de estos tres componentes confieren resistencia de los materiales vegetales.

60 – 150

FIG. 24: ESTRUCTURA FIBRILAR

FUENTE: KLAGES Federico, Tratado de química orgánica, 1998, p. 478.

Como se observa en la FIG. 24 la lignina cumple el papel de unir a las fibras rellenando los huecos entre cada una de ellas, mientras que la hemicelulosa es una capa intermedia entre las fibras celulósicas y la lignina Las fibras celulósicas solas son demasiado blandas y flexibles, con el fin de adquieran resistencia estas deben quedar unidas en una masa sólida. Siendo la fibra celulósica la materia prima para la elaboración de papel, se deben extraer la lignina y la hemicelulosa de la materia vegetal. 3.3.1 Morfología del Raquis del Banano El pinzote de banano morfológicamente está constituido por una corteza delgada de 0,25 mm aproximadamente, de color verde cuenta con pelos microscópicos en su superficie, la corteza se distribuye con un espesor constante a lo largo de todo el raquis. En su parte interna está constituido por largas fibras maderizadas ordenadas de manera longitudinal de color blanco cuando no está en estado de putrefacción, las fibras poseen gran cantidad de humedad. Las características de la corteza pueden facilitar la operación de descortezado, pero es posible de las características interna del raquis de banano dificulten las operaciones de trozado y triturado. 61 – 150

3.3.2 Tamaño de Fibra De acuerdo con TURRADO101, la presencia de elementos fibrilares permite analizar la composición estructural del pinzote para determinar su factibilidad en la liberación de fibras celulósicas. Las imágenes que corresponden a corte transversal del pinzote, en la imagen de la izquierda se observa la concentración de haces fibrovasculares en la periferia de la estructura del pinzote, mientras que en la imagen de la derecha con mayor detalle se observan haces fibrovascuales, vasos del fuste, fibras y parénquima, imagen que confirma la distribución de elementos fibrilares y vasos en la estructura del pinzote. FIG. 25: ELEMENTOS FIBRILARES DEL PINZOTE

10x

FUENTE: Elaboración propia en base a TURRADO José, Pinzote como Fuente de Fibras para Papel, p. 4.

Se realizó la identificación de la estructura de las fibras de raquis de banano Musa Acuminata mediante Electro microscopia, las figuras muestran en el lumen los tres tipos de estructura que se identificaron para las fibras celulósicas. FIG. 26: FIBRA DE RAQUIS DE BANANO

Corte longitudinal, de estructura lineal

Corte longitudinal, de estructura de red

Corte longitudinal, de estructura de red y lineal

FUENTE: Obtención propia 101

TURRADO José, Pinzote como Fuente de Fibras para Papel, p. 4.

62 – 150

Las tres imágenes representan un corte longitudinal, con lavado alcalino para retirar el tegumento, preparado en resina acrílica transparente en un aumento 10x. Como se puede observar las fibras tienen formas irregulares y la estructura que forman puede otorgar mayor resistencia al raquis de banano. Aunque las fibras maderizadas estén ordenadas longitudinalmente, la fibras celulósicas tienen una diferente estructura. El ancho de las fibras generadas por el estudio de Análisis de Imagen muestran valores para el raquis de Musa balbisiana es de 35,0 μm de ancho y espesor de pared de 11,3 μm, y para las fibras de raquis de Musa acuminata el ancho de fibra es 32,0 μm y espesor de pared de 8,5 μm. Por tanto, las fibras del raquis Musa balbisiana son de mayor grosor respecto al raquis de Musa acuminata, como resultado el papel a partir de raquis Musa balbisiana puede ser más resistente, mientras el papel a partir del raquis Musa acuminata tendrá menor resistencia. El estudio realizado Fiber Quality Analyzer T 271 om-02 por TURRADO102, muestra los tamaños de fibra del raquis de banano de las especie Musa acuminata en la TABLA 14. TABLA 14: LONGITUD MEDIA DE LA FIBRA Fibras

Longitud media de fibras [mm] Pulpa de Musa Pulpa de Musa acuminata balbisiana

Longitud media total

0,342

0,591

Longitud media sin finos < 200 m

1,485

1,735

Longitud media sin finos < 100 m

3,051

2,651

FUENTE: TURRADO José, Pinzote como Fuente de Fibras para Papel, p. 5.

Las fibras provenientes de materiales vegetales se pueden clasificar de acuerdo con la TABLA 15, para conocer qué tipo de fibra posee el raquis de banano, se comparan las mismas con fibras procedentes de otros materiales:

102

TURRADO José, Pinzote como Fuente de Fibras para Papel, p. 5

63 – 150

TABLA 15: LONGITUD DE LAS FIBRAS VEGETALES Tipo de Fibra

Longitud de Fibra [mm]

Especie Vegetal

Raquis M. acuminata Paja de arroz Raquis M. balbisiana Fibras Cortas Eucalipto (0,75 - 2 mm) Paja de trigo y cebada Esparto Bagazo de cana Abedul Pino Abeto Fibras Largas Cáñamo (2 - 5 mm) Algodón Lino

0,342 0,500 0,591 0,752 1,500 1,100 1,700 1,754 2,380 3,651 5,123 30,000 6 - 60

Efecto en el Papel

Alto Gramaje Baja resistencia

Poco gramaje Alta resistencia

FUENTE: Elaboración propia en base a Características de las Fibras para Papel, disponible en: http://investigacion.unefm.edu.ve/croizatia/trabajoscroizatia/volumen8/art%203.pdf

De acuerdo con la anterior tabla el raquis del banano posee de fibras cortas. Las fibras cortas dan como resultado hojas de papel que facilitan la formación de una delgada lámina de papel, para tener mayor resistencia su gramaje debe ser mayor. En conclusión, conforme con los anteriores resultados el empleo de el raquis Musa balbisiana en la obtención de papel puede dar como resultado un papel más resistente, por el tamaño de fibra y por el ancho de fibra, comparado con el raquis de Musa acuminata. 3.3.3 Composición de la Fibra Además de los componentes morfológicos del raquis de banano, este presenta en

su

composición

sustancias

orgánicas

fundamentales

para

su

aprovechamiento en la elaboración de papel. Los valores reportados sobre las características analizadas de las especies de estudio se muestran en la TABLA 16 donde resalta la diferencia en longitud y peso húmedo, así como en contenido de α-celulosa entre el pinzote de Musa balbisiana y Musa acuminata.

64 – 150

TABLA 16: CARACTERÍSTICA MORFOLÓGICAS Y QUÍMICAS DEL RAQUIS Parámetro

Pinzote Musa Balbisiana Musa Acuminata

Longitud (m)

0,70

1,25

Humedad (%)

92,32

93,73

Peso Húmedo (kg)

1,26

2,43

Lignina (%)

13,09

12,87

α-celulosa (%)

38,13

40,21

Holocelulosa (%)

74,87

75,27

FUENTE: TURRADO José, Pinzote como Fuente de Fibras para Papel, p. 6.

De acuerdo con la anterior tabla se puede observar que Musa acuminata es la especie que tiene mayor cantidad de celulosa en relación a la cantidad de lignina y holocelulosa, esta especie incrementa la eficiencia del proceso de digestión en comparación con la especie Musa balbisiana. El elevado contenido de holocelulosa reduce la cristalinidad de la planta, por lo que se facilita la operación de descortezado y trozado. Se puede observar que el raquis de banano posee gran cantidad de humedad, lo que facilita es proceso de descomposición orgánica. El empleo del raquis Musa Acuminata puede otorgar mayor cantidad de celulosa para la fabricación de papel, su composición muestra una ventaja comparado con el empleo del raquis Musa Balbisiana. 3.3.4 Elección de la Materia Prima De acuerdo con el estudio de las características morfológicas, composición y cantidades desechadas de las especies existentes de raquis de banano se procede a seleccionar la especie que será objeto de estudio en el desarrollo de la experimentación para la obtención de papel.

65 – 150

TABLA 17: CANTIDAD DE PINZOTES DESECHADOS Especie de Banano

Ventaja

Musa acuminata

- Mayor número de pinzotes desechados 1.423 unidades. - Incrementa la eficiencia del proceso de digestión. 12,87% de lignina. - Mayor cantidad de celulosa 40,21%

- Menor tamaño de fibra 0,342 mm.

Si

- Mayor tamaño de fibra 0,591 mm.

- Menor número de pinzotes desechados 175 unidades. - Reduce la eficiencia del proceso de digestión. 13,09% de lignina. - Menor cantidad de celulosa 38,13%

No

Musa balbisiana

Desventaja

Utilización

FUENTE: Elaboración propia

En la TABLA 17 se realizó la comparación entre las especies de banano para establecer las ventajas y desventajas del empleo de cada una de ellas, por lo tanto, se selecciona a la especie Musa acuminata como el objeto de estudio para el desarrollo de la experimentación por tener mayor número de ventajas en su empleo para la obtención de papel respecto de la especie Musa balbisiana. La disponibilidad de raquis Musa Acuminata en la ciudad de La Paz es de 1.423 unidades, es decir 1.792 kg al año, la cantidad de celulosa en su composición es de 40,21% y posee un tamaño de fibra de 0,342 mm. 3.4 OPERACIONES DEL PROCESO EXPERIMENTAL PARA OBTENER PAPEL De acuerdo con las características de la fibra de raquis de banano se identificaran las operaciones que se requieren para obtener papel, también se requieren de pruebas exploratorias para tener mayor información acerca del comportamiento de la fibra. 3.4.1 Identificación de Operaciones Unitarias para la Obtención de Papel Se requieren de investigaciones similares en la obtención de papel, las cuales van a constituir las pruebas exploratorias de la presente investigación. De acuerdo a la revisión bibliográfica, realizada en la Escuela Militar de Ingeniería, se identificaron dos proyectos de grado vinculados a la obtención de pulpa y papel, el primero se denomina “Adecuación tecnológica para la 66 – 150

obtención de pulpa de papel a partir de los subproductos de la cosecha de los cereales” realizado por el Cap. Freddy Rocha Cardozo, el cual refiere un estudio para la obtención de pulpa de papel a partir de los desechos de cereales del arroz, avena y cebada, para fines experimentales el proceso de este proyecto se denominara PRUEBA EXPLORATORIA # 1. El segundo proyecto se denomina “Papel artístico a partir de los desechos de totora” realizado por Ahmed Amusquivar Caballero, el cual refiere un estudio experimental para la obtención de papel artístico empleando desechos de totora del lago Titicaca, para fines experimentales el proceso de este proyecto se denominara PRUEBA EXPLORATORIA # 2. Cabe mencionar que el primer trabajo de grado permite la obtención de pulpa de papel, es decir la materia prima para elaborar una hoja de papel, por medio de la obtención de celulosa en un medio alcalino; mientras que el segundo trabajo de grado permite obtener pulpa de papel y la posterior formación de la hoja de papel. Ambos proyectos de grado permiten establecer las condiciones preliminares para tratar la fibra de raquis de banano para la obtención de papel. PRUEBA EXPLORATORIA #1 FIG. 27: PROCESO DE OBTENCIÓN DE PULPA DE PAPEL 1

Recepción de Materia Prima

α

1

Clasificado

5

Lavado

2

Cortado

6

Desfibrado

3

Machucado

7

Lavado

4

Cocción 2

Pulpa

α

FUENTE: ROCHA Freddy, Adecuación tecnológica para la obtención de pulpa de papel a partir de los subproductos de la cosecha de los cereales, Tesis Lic. Ing. Industrial, 2002, pp. 69 – 70.

67 – 150

“Este procedimiento consiste en cocer la materia prima con una solución de sosa caustica, el rendimiento máximo que puede alcanzarse es de aproximadamente 48 – 70% en pasta de buena calidad y adecuada para la fabricación de cartones corrugados y papeles de envolver de calidad inferior”103 El proceso de la FIG. 27 permite obtener pasta celulósica y acondicionar la misma para mejorar su calidad, este proceso permite conocer las condiciones necesarias para obtener pasta celulósica. Se puede observar que el proceso de obtención de pulpa consta de siete operaciones con los valores reportados en la tabla siguiente: TABLA 18: VALORES DE OPERACIÓN PARA PULPA DE PAPEL Variable Valor Temperatura de cocción 120°C Relación solvente – alimentación 40:1 Concentración del solvente 6% FUENTE: ROCHA Freddy, Adecuación tecnológica para la obtención de pulpa de papel a partir de los subproductos de la cosecha de los cereales, Tesis Lic. Ing. Industrial, 2002, pp. 69 – 70.

El procedimiento aplicado a los residuos de la cosecha del banano permitirá observar el comportamiento de la fibra ante las condiciones reportadas en la TABLA 18, además permite saber si una solución de soda caustica será adecuada para extraer suficiente celulosa de características adecuadas en el empleo de obtención de papel artístico. Procedimiento: -

Se corta y desmenuza la materia prima

-

Se cierne y limpia la materia prima desmenuzada

-

Se prepara una solución de NaOH, a una concentración y relación de alimentación de materia prima reportado en la TABLA 18.

-

Se calienta la solución de NaOH

-

Una vez calentada la solución se introduce la materia prima desmenuzada

-

Terminado el proceso de extracción sólido – líquido, se lava e inspecciona la pasta resultante.

103

ROCHA Freddy, Adecuación tecnológica para la obtención de pulpa de papel a partir de los subproductos de la cosecha de los cereales, Tesis Lic. Ing. Industrial, pp. 69, 70.

68 – 150

Resultados: FIG. 28: RESULTADO DE LA PRUEBA EXPLORATORIA #1

FUENTE: Obtención propia

Como se puede observar en la FIG. 28, el proceso utilizado para esta prueba experimental es poco aplicable debido a que la pasta resultante carece de consistencia, lo que dificulta la posterior formación de la hoja, esto resulta en una pasta quebradiza, la eliminación de lignina residual en el lavado otorgó a la pasta un color marrón oscuro más claro que a la salida de la extracción, también se pueden observar la corteza difuminada en la superficie de la hoja de papel. Análisis de los Resultados: Para el desarrollo experimental se pueden reducir los valores de las variables del proceso para evitar que la degradación de celulosa de la fibra del raquis de banano, con esto se logrará una mejor consistencia de la pasta; también es necesario blanquear la pasta después del lavado. Es necesario descortezar el material antes de realizar la extracción de celulosa, ya que la corteza no es aprovechable para la obtención de pasta celulósica. Conclusiones: De acuerdo con los resultados obtenidos se puede comprobar que el proceso para obtención de pulpa a partir de los desechos de cereales del arroz, avena y cebada no es aplicable al raquis de banano por las diferencias morfológicas y de composición entre las fibras. Sin embargo esta prueba exploratoria permite conocer las posibles operaciones y variables del proceso de obtención de papel a partir del raquis de banano.

69 – 150

PRUEBA EXPLORATORIA #2 FIG. 29: PROCESO DE OBTENCIÓN DE PAPEL ARTÍSTICO 1

Desecho de Totora

α

1

Secado

7

Encolado

2

Descortezado

8

Laminado

3

Reducción de Tamaño

9

Prensado

4

Extracción solido liquido

10

Secado

5

Blanqueado

11

Acabado

6

Lavado de Pasta

2

Papel Artistico

α FUENTE: AMUSQUIVAR Ahmed, Papel artístico a partir de los desechos de Totora, Tesis Lic. Ing. Industrial, 2009, pp.111, 164.

“El proceso de fabricación de papel artístico, a partir de los desechos de totora, presenta la adición de materiales en algunas operaciones como encolantes, solventes y agentes químicos especiales, que intervienen en el proceso de producción”104 El proceso de la FIG. 29 permite obtener pasta celulósica, acondicionar la pasta y finalmente obtener una delgada lamina de papel, por lo tanto, este proceso permite conocer todas las operaciones necesarias para obtener papel. El proceso de obtención de papel de los desechos de totora consta de 11 operaciones con los valores reportados en la siguiente tabla: 104

AMUSQUIVAR Ahmed, Papel artístico a partir de los desechos de Totora, Tesis Lic. Ing. Industrial, p. 97.

70 – 150

TABLA 19: VALORES DE OPERACIÓN PARA PAPEL ARTÍSTICO Operación

Variable

Valor

Secado

Temperatura

81°C

Reducción de Tamaño

Tamaño de grano

1 mm

Temperatura de cocción

75°C

Relación solvente – alimentación

10:1

Concentración del solvente

4,6%

Tiempo de extracción

9 min

Extracción sólido - liquido

Blanqueado

Concentración del agente blanqueador 3ml/gramo

Encolado

Concentración de agente encolante

10%

Laminado

Espesor

0,5 mm

Prensado

Tiempo de prensado

14 horas

Secado

Temperatura de secado

81°C

FUENTE: AMUSQUIVAR Ahmed, Papel artístico a partir de los desechos de Totora, Tesis Lic. Ing. Industrial, 2009, pp.111, 164.

Procedimiento: -

Se seca la materia prima en un horno hasta que el peso sea constante.

-

Se extrae la corteza del material secado empleando un cuchillo.

-

Se corta transversalmente el material descortezado en forma pareja empleando un cuchillo o una tijera; otra manera de reducir el tamaño es picando a 100 rpm durante un minuto empleando una licuadora.

-

Se prepara NaOH al 4% de concentración.

-

Una vez preparada la solución se introduce la materia prima picada en la relación reportada en la TABLA 19.

-

La solución se calienta hasta 75°C.

-

Seguidamente se vierten 10 ml de peróxido de hidrogeno de 30 volúmenes.

-

Se vierte el agente neutralizante a la pasta blanqueada a través de un gotero controlando el volumen, el pH debe alcanzar un valor de 7.

-

Se prepara un disolución de gelatina a la concentración reportada y se vierte la solución de gelatina en la pasta neutralizada, luego se homogeniza la muestra. 71 – 150

-

Se escurre el líquido excedente de la pasta encolada y sobre una mesa de superficie plana se vierte la pasta para laminar con un rodillo hasta disminuir el espesor lo suficiente, controlando el espesor.

-

La pasta laminada se coloca entre una tela de algodón y un fieltro, el conjunto se prensa con la ayuda de maderas durante un tiempo.

-

Se pesa la pasta prensada, luego se vuelve a prensar con maderas para introducir a horno hasta que el peso del papel sea constante.

-

Se deja el papel entre las maderas para que este alcance la humedad en equilibrio con el medio ambiente.

Resultados: FIG. 30: RESULTADO DE LA PRUEBA EXPLORATORIA #2

FUENTE: Obtención propia

Como se puede observar en la FIG. 30, el proceso utilizado para esta prueba experimental es poco aplicable debido a que el papel resultante carece de uniformidad y flexibilidad. La pasta tiene consistencia para la formación de la hoja, pero el resultado es un papel bastante rígido, el color marrón oscuro y la rigidez indica la presencia de lignina en la pasta. Análisis de los Resultados: Para el desarrollo experimental se pueden incrementar los valores de las variables del proceso de extracción sólido líquido, para eliminar mayor cantidad de lignina, con esto se logrará una mayor flexibilidad en la pasta. No es necesario secar la pasta para el descortezado, a diferencia de la totora, el raquis de banano facilita el descortezado y el trozado por la cantidad de humedad presente en la fibra.

72 – 150

La pasta resultante del blanqueado presenta un color marrón oscuro, por tanto, se debe lavar la pasta hasta un pH neutro antes del blanqueado para obtener un color mucho más claro. El tiempo de prensado no ha sido suficiente para eliminar la humedad contenida en la hoja de papel, por tanto se debe incrementar el tiempo de prensado. Finalmente, el secado de la hoja de papel en el horno incrementa la rigidez de la hoja y provoca ondulaciones en los bordes al quitar las prensas de madera, debido a la rápida eliminación de humedad en la hoja. Conclusiones: De acuerdo con los resultados obtenidos se puede comprobar que el proceso para obtención de pulpa a partir de los desechos de totora no es aplicable al raquis de banano por las diferencias morfológicas y de composición entre las fibras. Sin embargo, esta prueba exploratoria permite conocer las posibles operaciones y variables a emplearse en el proceso de obtención de papel a partir del raquis de banano. Las dos pruebas exploratorias realizadas demuestran que la obtención de papel a partir de una materia prima fibrosa consta de tres etapas; la primera etapa se puede definir como la preparación o acondicionamiento de la materia prima, estas operaciones dependen de las características de la misma, la segunda etapa se puede definir como la obtención de celulosa, esta etapa es la más importante dentro de todo el proceso porque define la calidad del producto final y la última etapa se constituye por operaciones destinadas a la formación de la hoja de papel donde es posible definir las características finales del papel. 3.4.2 Proceso de Obtención de Papel Se definen las posibles operaciones para el desarrollo del proceso experimental de acuerdo con los resultados observados en las pruebas exploratorias, la revisión bibliográfica y las características del raquis de banano. 

Trozado

Las características morfológicas del raquis de banano Musa Acuminata muestran que este tiene una longitud de 1,25 m, por tanto es necesario trozar 73 – 150

para obtener una cantidad adecuada de raquis de banano utilizable durante la experimentación, esta cantidad será definida al momento de establecer la relación sólido líquido. Los trozos deben tener el tamaño adecuado para eliminar la humedad presente en las fibras, de acuerdo con las pruebas exploratorias los tamaños de los trozos pueden ser de 2 cm cúbicos con corteza. El trozado se puede realizar con un cuchillo bien afilado para hacer cortes transversales en el raquis. 

Descortezado

De acuerdo con las características morfológicas de la corteza del raquis de banano, éste es fácil de eliminar mediante un cuchillo con cortes longitudinales debido a la humedad presente en las fibras. Esta operación facilita la extracción sólido líquido, permitiendo así obtener una mejor calidad de celulosa; es necesario eliminar la corteza debido a que en las pruebas exploratorias se observó que esta no es aprovechable para obtener pasta celulósica. 

Secado

Esta operación permite eliminar la humedad presente en la fibra, de esta manera, se evita que la humedad de la fibra afecte la concentración del solvente, esta operación se realiza a la temperatura de ebullición del agua, es decir 81°C en la ciudad de La Paz. Por otra parte el secado del raquis facilitará la operación de triturado y la operación de extracción sólido líquido al debilitar las fibras por acción del calor y pérdida de agua. El secado se realizará mediante un horno de secado o estufa con material descortezado y trozado. 

Triturado

Esta operación permite obtener un tamaño de partícula deseado y facilita la obtención de celulosa debido a que existe una mayor área de contacto entre solvente y el sólido. Una vez que el material está libre de humedad se reduce el tamaño del sólido por medio de una moledora o trituradora, por acción de la velocidad de rotación de las cuchillas de la trituradora se puede obtener tamaños de partícula más pequeños.

74 – 150



Tamizado

Esta operación permite determinar un tamaño de partícula uniforme por medio de mallas que separan las partículas de menor tamaño al pasar por las ranuras de la criba que tienen aperturas desde los 1,18 mm hasta los 300 µm. Una vez que el material ha sido triturado se ordenan los tamices, el primero debe retener las partículas más grandes y los tamices posteriores deben retener las partículas más pequeñas, el objetivo de esta operación es obtener un tamaño de partícula uniforme para la obtención de papel. 

Extracción sólido líquido

Esta operación es una de las más importantes en el proceso debido a que permite obtener la celulosa que constituye la materia prima para la elaboración de papel y determina las características del producto final. Esta operación consiste en extraer la celulosa, mediante el empleo de un solvente, para obtener una pulpa consistente y uniforme. La operación consiste en introducir el material triturado y tamizado en un vaso de precipitado junto con el solvente líquido a una temperatura y velocidad de agitación determinada durante el tiempo suficiente para extraer la mayor cantidad de pasta celulósica utilizable, es decir que no haya sufrido degradación. 

Neutralizado

El objetivo de esta operación es eliminar los residuos del solvente empleado en la extracción sólido líquido para evitar el desgaste del papel en el tiempo. De acuerdo con la revisión bibliográfica el neutralizado de la pasta celulósica se puede realizar de dos maneras: realizando lavados continuos con agua y empleando un agente neutralizante. En la experiencia con las pruebas exploratorias 1 y 2 se observó que también es necesario lavar la pasta para eliminar la lignina residual contenida en las fibras y de esta manera obtener una pasta menos oscura, por tanto, el neutralizado se realizará por medio de lavados continuos con agua. 

Blanqueado

El objetivo de esta operación es obtener un color más claro en la pasta utilizando un agente blanqueador, con el blanqueado también se pueden 75 – 150

observar las impurezas que pueden afectar el color de la pasta, el agente blanqueador será seleccionado en el desarrollo de la experimentación. El blanqueado se realiza introduciendo la pasta lavada en el agente blanqueador de concentración conocida; el blanqueador que se elija no debe ocasionar daños en la pasta celulósica y a su vez debe otorgar un color más claro, también debe ser de acción oxidante de la lignina, ya que de acuerdo con los resultados de las pruebas exploratorias el color oscuro de la pasta se debe a la presencia de lignina residual en la misma. 

Preformado

De acuerdo con la revisión bibliográfica, el preformado de la hoja se puede realizar utilizando la técnica de la malla continua, esta técnica además de aglomerar las fibras y dar una forma rectangular a la pasta celulósica permite eliminar el agua presente en la fibra y retirar las impurezas que puedan haberse alojado entre la pasta celulósica. El preformado se constituye en una operación auxiliar para convertir la pasta en una delgada hoja de papel, esta operación se realiza por medio de una malla de polietileno debido a que este material evita que la pasta se pegue en los intersticios de los hilos de la malla y a su vez permite la eliminación de agua presente en la fibra. 

Laminado

Esta operación permite reducir el espesor de la hoja por medio de la compresión ejercida por un rodillo, otorga uniformidad a la superficie del papel; también permite eliminar la humedad de la hoja para reducir el tiempo de prensado. Esta operación se realizará por medio de un rodillo, situando la pasta preformada sobre un fieltro seco en una superficie plana, el fieltro se coloca en ambas caras de la pasta para evitar que la misma se pegue al rodillo y a la superficie de la mesa de trabajo. 

Prensado

Esta operación permite transferir la humedad del papel a unas prensas de madera, mediante elementos de sujeción, además permite que el papel alcance la humedad de equilibrio evitando que la hoja se arquee u ondule en los bordes. Una vez que la pasta se ha laminado, se mantiene el fieltro unido a la pasta para prensar la misma con las maderas y las prensas de mesa. 76 – 150

Por lo tanto, el proceso para el desarrollo experimental tiene 11 operaciones unitarias las cuales se van a desarrollar con mayor profundidad en el desarrollo experimental.

Cada

una

de

estas

operaciones

tendrá

su

desarrollo

experimental de manera independiente para determinar los procedimientos y cambios necesarios, obteniendo las cualidades óptimas para el producto final. 3.5 VARIABLES DEL PROCESO EXPERIMENTAL Las variables del proceso experimental se determinan de acuerdo con los resultados observados en las pruebas exploratorias, se llegaran a establecer el rango de valores más adecuado para desarrollar la experimentación. Las variables permiten realizar el proceso de control durante la experimentación observando los cambios que se producen en el producto final. 3.5.1 Variables para la Obtención de Papel Las variables que se medirán para el proceso experimental se seleccionaron de acuerdo con la revisión bibliográfica y los rangos se determinaron mediante los resultados de las pruebas exploratorias. A continuación se describen las variables que se necesitan evaluar: TABLA 20: VARIABLES DE LA INVESTIGACIÓN Operación

Variable

Rango

Instrumento

Triturado

Tamaño de Partícula

0,2 mm – 1 mm

Tamices y Espectrofotómetro

Relación solvente alimentación

10/1 – 40/1[ml:g]

Extracción

Concentración del solvente

1% - 5%

Sólido - Liquido

Agitación

50 rpm – 800 rpm

Temperatura

15°C - 80°C

Tiempo

10 min – 80 min

Blanqueado

Concentración del agente blanqueador

2% – 15%

Cartilla de Colores

Prensado

Tiempo de prensado

1 horas – 24 horas

% de Humedad de la Hoja

Espectrofotómetro

FUENTE: Elaboración propia

Cada una de las variables, mencionadas en la TABLA 20, requieren de pruebas para definir los valores finales, los valores de otras variables independientes 77 – 150

como temperatura de secado, tiempo de secado, velocidad de trituración, tamaño de trozos se pueden controlar de acuerdo a los resultados que se desean alcanzar durante la experimentación. 3.6 PLAN DE EXPERIMENTACIÓN En la planificación de la experimentación se describen los recursos necesarios para realizar la experimentación, las condiciones de control y el plan que se va a seguir para realizar las pruebas que muestran la relación de las operaciones y variables. 3.6.1 Planificación de la Experimentación Las condiciones de trabajo bajo las cuales se va a desarrollar la experimentación están relacionadas con aquellas variables geográficas, climatologías y recursos que intervienen en el proceso de obtención de papel: TABLA 21: CONDICIONES GENERALES DE EXPERIMENTACIÓN Área Geográfica:

Ciudad de La Paz – Centro de Investigación Ciencia y Tecnología - Zona Alto Irpavi

Altitud:

3.200 a 2.750 msnm (Alto Irpavi)

Presión Atmosférica:

495 mmHg

Rango de Temperatura en Invierno :

4,00°C min – 18,84°C min (Zona Sud)

Condiciones de Laboratorio:

Ambiente Cerrado, cantidad de luz alta, sin corrientes de aire.

Calidad del Agua:

Agua destilada con conductividad entre 0,2 – 0,5 µS/cm, pH 6,94

FUENTE: Elaboración propia en base a Datos de SENAMHI y VILLENA Mercedes, Instituto Boliviano de Biología de Altura

Para estudiar los cambios realizados en materia prima, se debe observar la incidencia de cada variable independiente, en este caso los indicadores de cada operación. Este proceso se realiza mediante la experimentación, en cada operación se realizarán distintas pruebas, variando los indicadores o variables en los rangos reportados en la TABLA 20, para observar las característica del

78 – 150

producto final. Se establecen como variables del proceso de obtención de papel aquellas que hayan brindado mejores resultados. FIG. 31: PLANIFICACIÓN DE LA EXPERIMENTACIÓN

1°

2°

• Tamano de Particula

• Relacion S/F

5° • Temperatura de Extraccion

4°

3° • Concentracion del Solvente

6°

• Velocidad de Agitacion

7°

• Concentracion del Blanqueador

• Tiempo de Prensado

FUENTE: Elaboración propia

La FIG. 31 muestra las variables que se necesitan evaluar y la respectiva secuencia de pruebas para el desarrollo de la experimentación. 3.6.1.1

Tamaño de Partícula

Se tritura la materia prima para determinar diferentes tamaños de partícula con los cuales se realizarán pruebas, para controlar esta variable se utilizará un tamiz que permita clasificar los tamaños de partícula obtenidos y se seleccionará aquel que brinde a la pulpa consistencia, otorgue resistencia al papel y una elevada concentración de celulosa. El juego de tamices disponibles son de 16, 30, 40 y 50 mesh, los cuales serán provistos por el laboratorio de Ingeniería Civil, por tanto, será necesaria una limpieza antes de utilizar los tamices para evitar la contaminación de las muestras. 3.6.1.2

Relación Solvente – Alimentación

Se define la cantidad de masa de sólido del cual se desea obtener la pulpa celulósica para variar la cantidad de solvente destinado a extraer la celulosa, para este caso el NaOH, se realiza la experimentación con diferentes relaciones solvente – alimentación

y se seleccionará aquella que brinde

consistencia a la pulpa e incremente la concentración de celulosa. De acuerdo con las pruebas exploratorias el rango para la experimentación está entre 10/1

79 – 150

hasta 40/1, el volumen del solvente se medirá con una probeta graduada y el peso del sólido con una balanza de precisión. 3.6.1.3

Concentración del Solvente

Una vez definidas las anteriores variables se procederá a identificar diferentes concentraciones del solvente, es decir la proporción de soluto disuelto en el disolvente, para realizar la experimentación se trabajaran con concentraciones del 1% al 6% de acuerdo con los resultados de las pruebas exploratorias; se seleccionará aquella concentración de solvente que no degrade la pulpa celulósica, le brinde consistencia y incremente la concentración de celulosa. Se pesará la cantidad de solvente con una balanza de precisión y el volumen, al cual disolver el solvente, con una probeta graduada. 3.6.1.4

Velocidad de Agitación

Con todas las anteriores variables definidas se procederá a identificar las diferentes velocidades de agitación para realizar la experimentación, esta variable permite incrementar el contacto entre el solvente y el sólido. En un vaso de precipitado de preparan la cantidad de solvente (NaOH) a una determinada concentración destinado a disolver el sólido (material triturado), para luego agitar el contenido del vaso de precipitado a velocidades de 50 rpm, 200 rpm, 400 rpm, 600 rpm y 800 rpm, se seleccionará aquella velocidad de agitación que otorgue consistencia a la pulpa e incremente la concentración de celulosa. El control de la velocidad de agitación se realizará por medio del regulador de velocidad del agitador. 3.6.1.5

Temperatura de Extracción

Con todas las anteriores variables definidas se identifican las diferentes temperaturas de extracción, para desarrollar la experimentación se calienta el contenido del vaso de precipitado por medio de una hornilla con agitador a temperaturas de 20°C, 40°C, 60°C y 80°C y se elige aquella temperatura que facilite la extracción sólido – líquido, otorgue consistencia en la pulpa e incremente la concentración de celulosa. El control de la temperatura se realizará por medio de un termómetro de mercurio.

80 – 150

3.6.1.6

Concentración del Agente Blanqueador

Con todas las variables de la extracción sólido – líquido definidas, se procederá a identificar diferentes concentraciones del agente blanqueador para desarrollar la experimentación, se elige aquella concentración que otorgue mayor grado de blancura en la pulpa, este grado de blancura se controlara mediante una carta de colores que va desde el marrón hasta el blanco reportado en el ANEXO VIII. Se preparara la cantidad de blanqueador a disolver en agua destilada por medio de una probeta graduada y se procede a introducir la pasta en el vaso de precipitado con el blanqueador para observar los cambios en el color de la pasta. De acuerdo con los resultados de las pruebas exploratorias las concentraciones deben estar entre el 5% y el 15% para no dañar la pasta. 3.6.1.7

Tiempo de Prensado

Con todas las anteriores variables definidas, se procede a identificar diferentes tiempos de prensado para desarrollar la experimentación se establecen tiempos de 1hr hasta 24hr de acuerdo a lo observado en las pruebas exploratorias. Una vez que la hoja de papel ha sido formada se procede a prensar la misma por medio de dos maderas y prensas de mesa, la lamina de papel se pone en medio de un fieltro y las maderas, se elige aquel tiempo de prensado que permita la eliminación de la mayor cantidad de humedad presente en la hoja de papel. Cada uno de los valores de las variables se seleccionará durante el desarrollo de la experimentación para observar la incidencia en el producto final. La investigación del proceso experimental se realizará de acuerdo con el cronograma propuesto en el ANEXO I. 3.6.2 Recursos para la Experimentación A continuación se describen los equipos necesarios para el desarrollo de la experimentación con sus respectivas características técnicas y aplicación dentro del proceso experimental. 

Balanza de Precisión: este equipo permite pesar el raquis de banano a utilizar y la cantidad de solvente a disolver para la extracción sólido líquido. El equipo tiene precisión de 0,0001g, este se puede observar en la FIG. 32.

81 – 150

FIG. 32: BALANZA

FUENTE: Obtención propia



Horno de secado: este equipo es empleado para reducir la humedad del raquis de banano. Temperatura desde 25°C hasta 200°C, con reloj temporizador y control de temperatura, este se observa en la FIG. 33. FIG. 33: HORNO

FUENTE: Obtención propia



Licuadora: este equipo permite reducir el tamaño de partícula del sólido, es decir del raquis de banano. Velocidad de rotación hasta 400 rpm. Este se puede observar en la FIG. 34. FIG. 34: LICUADORA

FUENTE: Obtención propia



Hornilla con Agitador: este equipo permite incrementar la temperatura de extracción sólido – líquido a la vez que otorga velocidad de agitación. 82 – 150

Temperatura regulable 25°C hasta 120°C y Velocidad de agitación desde 100 rpm hasta 500 rpm, este equipo se puede observar en la FIG. 35. FIG. 35: HORNILLA – AGITADOR

FUENTE: Obtención propia

Además de los anteriores equipos también se requieren de los siguientes instrumentos de laboratorio: 

Vidrio Reloj: este instrumento es útil para pesar en la balanza de precisión y secar el material sólido en el horno.



Tamices: permiten realizar la separación de los diferentes tamaños de partícula, las cribas deben ser de diferente calibre desde 0,2 – 1 mm.



Probeta Graduada: este instrumento permite medir el volumen, con 10 ml de precisión, para realizar las disoluciones de la extracción sólido liquido y del agente blanqueador



Vasos de Precipitado: permiten contener el sólido y el disolvente para la extracción sólido líquido, resisten hasta 110°C con capacidad de 500ml.

Todos los equipos e instrumental de laboratorio serán provistos por parte del laboratorio de Ingeniería Industrial de la Escuela Militar de Ingeniería.

83 – 150

3.7 DESARROLLO DE LA EXPERIMENTACIÓN En el desarrollo de la experimentación se van a evaluar cada una de las operaciones unitarias que constituyen el proceso de obtención de papel a partir del raquis o pinzote de banano para definir los valores de las variables que intervienen en el proceso. 3.7.1 Esquema de la Experimentación La investigación seguirá el proceso experimental cuyo diagrama de flujo se presenta a continuación: FIG. 36: PROCESO EXPERIMENTAL PARA LA OBTENCIÓN DE PAPEL α 1

1

2

Raquis de Banano

7

Neutralizado

8

Blanqueado

9

Laminado

10

Prensado

Descortezado

Secado

4

Triturado

α

Extracción Sólido Líquido

Trozado

3

5

6

Tamizado

Operaciones

2

Papel

Productos

FUENTE: Elaboración propia en base a Pruebas Exploratorias

3.7.1.1

Determinación de la Concentración de Celulosa

La determinación de la concentración de celulosa se realiza por medio de Espectrofotometría UV visible y permite identificar el mayor rendimiento para cada etapa del proceso de extracción sólido – líquido. El material de análisis, que generalmente se encuentra en el extracto, se compara con una solución de referencia o patrón. Seleccionando la longitud de 84 – 150

onda máxima a la que absorbe una sustancia y utilizando una muestra patrón, de concentración conocida, se puede obtener los datos de absorbancia frente a la concentración que representan la denominada curva patrón. Este método servirá como análisis cuantitativo de la celulosa. En la FIG. 37, se observa el Espectrofotómetro JENWAY 6405UV – VIS, el equipo que se empleará para realizar el análisis de espectrofotometría. FIG. 37: ESPECTROFOTÓMETRO UV - VISIBLE

FUENTE: Obtención propia

Determinación de la Curva Patrón Se debe elegir una muestra patrón de concentración conocida. Por lo tanto se utilizó papel filtro Whatman No 41 que contiene 99,99%105 de celulosa. Para la determinación de la curva patrón se realiza el siguiente procedimiento: 1. Se corta el papel filtro en pedazos de 0,5 cm2. 2. Se pesa la muestra en una balanza electrónica de 0,0001g de error y se elije un gramo de la muestra. 3. Para disolver la celulosa, contenida en el papel, se prepara una solución de NaOH al 35% empleado agua desionizada como disolvente*. 4. Se disuelve la muestra en la solución de NaOH con la ayuda de un agitador hasta que no existan sólidos en suspensión. Como instrumento de agitación y reducción de tamaño partícula se utilizó una licuadora que pica el papel filtro a razón de 200 rpm durante dos minutos.

105

Martinez Urreaga, Color y degradación en materiales celulósicos de diferente composición y grado de refinado, Universidad Politécnica de Madrid, p. 2.

85 – 150

* Se realizaron pruebas para disolver el papel filtro con una concentración de 10%, 15%, 20%, 25% 30% y 35% de NaOH, obteniendo mejores resultados a 35% de NaOH, tal como se muestra en la siguiente tabla: TABLA 22: RESULTADOS DE LAS PRUEBAS PARA PREPARACIÓN DE LA SUSTANCIA PATRÓN Concentración Disolución del Papel de NaOH Filtro Whatman No 41 10% Baja 15%

Baja

20%

Baja

25%

Media

30%

Media

35%

Completa

FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con los resultados de la TABLA 22, el papel filtro se disuelve completamente con NaOH al 35%. Con esta concentración no se observaron sólidos suspendidos. La solución resultante se denominará solución patrón, a partir de la cual se realizarán diferentes diluciones que serán introducidas en el espectrofotómetro para obtener los puntos de la curva. A continuación se muestra las condiciones bajo las cuales se preparó la solución patrón. Condiciones de Experimentación para la Solución Patrón: Peso de Papel Whatman No 41: 1 g Concentración de NaOH: 35% Conductividad del Agua: 0,26 µS/cm Temperatura Ambiente: 15,6°C Disoluciones en 50 ml

86 – 150

De acuerdo con la TABLA 22, se prepararon diez diluciones106, desde 5% hasta 45%, en matraces aforados de 50 ml con agua destilada de conductividad de 0,26 µS/cm para obtener los puntos de la curva patrón: TABLA 23: DISOLUCIONES PARA LA CURVA PATRÓN Disolución

Solución Porcentaje de Patrón [ml] Disolución en 50 ml

1

0

0%

2

2,5

5%

3

5,0

10%

4

7,5

15%

5

10,0

20%

6

12,5

25%

7

15,0

30%

8

17,5

35%

9

20,0

40%

10

22,5

45%

FUENTE: Elaboración propia

La primera dilución constituye el punto cero (blanco) para la curva patrón. Este punto no contiene celulosa y su preparación se realizó de acuerdo con los fundamentos teóricos de espectrofotometría de la siguiente manera: 1. Disolver NaOH al 35% en agua destilada de la misma conductividad que el agua empleada para las posteriores disoluciones. 2. Aforar la solución de NaOH al 35% en un matraz de 50 ml. Para la preparación de los otros puntos de la curva patrón se siguió el siguiente procedimiento: Tomar un porcentaje de la solución patrón y preparar diluciones con el grado de concentración deseado.

106

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID, Reconocimiento de Biomoleculas Espectrofotometría Principios Básicos, disponible en:

87 – 150

-

Así por ejemplo para la concentración de 5% se lleno la cubeta de cuarzo del espectrofotómetro, tomando una muestra del matraz que contiene esta concentración. La FIG. 38 muestra las diluciones realizadas para cada concentración de la celulosa,

las

que

se

emplearon

para

realizar

las

lecturas

en

el

espectrofotómetro UV – VIS. FIG. 38: DILUCIONES PARA LA CURVA PATRÓN

FUENTE: Obtención propia

Se realiza el mismo procedimiento para los matraces restantes que contienen otras concentraciones de celulosa. Finalmente se procede a realizar la identificación de las absorbancias de cada muestra empleando la longitud de onda de 457 nm para celulosa107. Los resultados se muestran en la siguiente tabla: TABLA 24: DETERMINACIÓN DE LA CURVA PATRÓN PARA CELULOSA Concentración Absorbancia 5%

0,065

10%

0,147

15%

0,232

20%

0,328

25%

0,431

30%

0,535

35%

0,622

40%

0,686

45%

0,748

FUENTE: Elaboración propia

107

Norma TAPPI T 452, Unión de Industriales Litógrafos de México, .

88 – 150

Las disoluciones solo se realizaron hasta el 45% porque de acuerdo con las características del pinzote de banano la máxima concentración de celulosa que se podría obtener es de 40,21%. Los datos de la TABLA 24 fueron graficados para obtener la ya denominada curva patrón: FIG. 39: CURVA PATRÓN PARA CELULOSA 0.750 0.700 0.650 0.600 0.550

Absorbancia

0.500 0.450 0.400 0.350 0.300 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050 0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

Concentracion [%] FUENTE: Elaboración propia

Conclusiones: Mediante el empleo de la curva patrón se podrá determinar la concentración de la celulosa de cualquier muestra con solo leer la absorbancia. 3.7.1.2

Trozado

El trozado consiste en obtener fragmentos del raquis de banano con el fin de facilitar la pérdida de humedad por acción del calor. El raquis de banano tiene 1,25 metros (m) de largo aproximadamente, por lo tanto será necesario realizar 89 – 150

cortes

transversales para obtener fragmentos más pequeños mediante el

siguiente procedimiento: 

Con un cuchillo y sobre una tabla de madera se realizan cortes transversales de 4 cm de largo en todo el raquis, desechando aquellos segmentos que se encuentren en estado de putrefacción (en ambos extremos del raquis).



Una vez que trozado el raquis se realizan dos cortes longitudinales para obtener fragmentos más delgados.



Finalmente se realizan cortes transversales por la mitad de cada fragmento para obtener trozos de 2 cm de largo.

Resultados: Debido al ordenamiento longitudinal de las fibras, los cortes transversales resultan dificultosos, mientras los cortes longitudinales son mucho más sencillos. La FIG. 40 muestra los trozos obtenidos del raquis de banano: FIG. 40: TROZOS DE RAQUIS DE BANANO

FUENTE: Obtención propia

Como se puede observar en la TABLA 25, por cada pinzote de banano se obtuvieron de 216 a 224 trozos pequeños de 2 cm de longitud. Se desecharon en promedio 10,4 cm de la parte más ancha de cada pinzote debido a que estos se encontraban en estado de putrefacción.

90 – 150

TABLA 25: TROZADO DE RAQUIS DE BANANO No de Pinzote

No de Trozos Longitud de Pequeños de 2 cm Pinzote Desechado

1°

216

11,6 cm

2°

216

11,4 cm

3°

224

9,3 cm

4°

216

10,1 cm

5°

224

9,6 cm

219

10,4 cm

Promedio

FUENTE: Elaboración propia

También se observó que durante la operación de trozado la fibras pierden poca humedad. Esta pérdida se puede observar en la siguiente tabla: TABLA 26: PERDIDA DE HUMEDAD POR TROZADO No Trozo

Peso Inicial [g] Peso Final [g]

Humedad Perdida [%]

1

101,60

101,3

0,30

2

97,60

97,3

0,31

3

107,50

107,2

0,28

4

86,00

85,7

0,35

5

85,90

85,7

0,23

6

73,80

73,6

0,27

7

65,40

65,2

0,31

8

40,20

40,1

0,25

9

44,90

44,7

0,45

10

41,70

41,6

0,24

Promedio

74,46

74,24

0,30%

FUENTE: Elaboración propia

El cálculo de la humedad que se pierde en el trozado se realizó mediante la Ecuación (3) reportada en el Marco Teórico. De acuerdo con los resultados expresados en la TABLA 26 la humedad promedio perdida por efecto del trozado es de solo 0,30%.

91 – 150

Conclusiones: Haciendo un análisis de los anteriores resultados, se puede concluir que el tamaño de trozos seleccionado permite fragmentar el pinzote de banano de manera rápida y sencilla hasta obtener un tamaño que permitirá utilizar una moledora posteriormente. La pérdida de humedad durante el trozado solo se debe a la fuerza aplicada por el cuchillo en las fibras y de acuerdo con los resultados obtenidos esta pérdida de humedad es poco relevante. 3.7.1.3

Descortezado

El descortezado tiene como finalidad separar la corteza del raquis de banano de las fibras para facilitar la acción del solvente destinado a extraer celulosa. El descortezado se realiza de la siguiente manera: En la periferia del pinzote trozado se realizan cortes longitudinales como se puede observar en la siguiente figura: FIG. 41: DESCORTEZADO DE RAQUIS DE BANANO

FUENTE: Obtención propia

Resultados: La siguiente tabla muestra los resultados finales de la operación de descortezado del raquis de banano: TABLA 27: CARACTERÍSTICAS DE LA CORTEZA No Trozo Espesor [mm] Peso [g] 1

0,26

0,5

2

0,58

0,8

3

0,15

0,4

4

0,37

0,6

(CONTINUA)

92 – 150

TABLA 27: CARACTERÍSTICAS DE LA CORTEZA (CONTINUACIÓN) No Trozo

Espesor [mm] Peso [g]

5

0,35

0,6

6

0,46

0,7

7

0,45

0,7

8

0,84

1,1

9

0,18

0,4

10

0,38

0,6

Promedio

0,58

0,59

FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con la anterior tabla el espesor promedio de la corteza es de 0,58 mm y el peso promedio es de 0,59 g por cada trozo de pinzote de 4cm de largo, lo cual da como resultado 16 g de corteza desechada por unidad de pinzote. Debido a la forma irregular del pinzote es mucho más sencillo descortezar trozos de 4 cm de longitud que descortezar todo el pinzote de banano sin trozar. Conclusiones: Debido a la elevada humedad que poseen las fibras es posible descortezar de forma manual, pero al realizar esta operación muchas de las fibras que están unidas a la corteza también se separan del resto del pinzote, es por esta razón que es preferible utilizar un cuchillo o elemento con filo para un corte preciso. 3.7.1.4

Secado del Raquis de Banano

El secado tiene como finalidad eliminar la humedad presente en las fibras del pinzote de banano. Esta operación facilita la reducción de tamaño de partícula por que las fibras se debilitan y se quiebran con mayor facilidad. Además contribuye a la extracción sólido líquido por que las paredes del tejido celular de la planta se quiebran facilitando la acción del solvente para mejorar u optimizar la extracción de la celulosa. La determinación de la humedad se realiza mediante la Ecuación (3) reportada en el Marco Teórico. El procedimiento se realiza utilizando pinzote de 94,5 g en peso húmedo y una temperatura de secado de 108 ± 2°C recomendada por la

93 – 150

norma TAPPI108 para secado de materiales fibrosos y con el siguiente procedimiento109: -

La muestra cortada en pequeños trozos de 2 cm de longitud se coloca en cajas petri previamente secadas.

-

Se determina el peso inicial de la muestra y se coloca la misma en la estufa a una temperatura de 108°C ± 2°C durante intervalos de 1 minuto.

-

Cuando se estima que la muestra está ya está seca, se deposita en el recipiente y se deja enfriar en el desecador.

-

Se pesa el recipiente con su contenido y se determina el peso del pinzote seco mediante una balanza de precisión.

-

Se repiten las operaciones empleando periodos de secado iguales a la mitad de la sumatoria de los que precedieran hasta obtener un peso constante. Se considera constante cuando entre dos pesadas consecutivas no se tiene un diferencia mayor 0,1%.

Resultados: Los resultados obtenidos del anterior procedimiento están reportados en el ANEXO II. La siguiente tabla muestra los resultados finales de la operación de secado del raquis de banano: TABLA 28: RESULTADOS DEL SECADO DE RAQUIS DE BANANO Antes del Secado

Variable Peso Húmedo:

94,5 g

Humedad:

93,44%

Temperatura de Secado: 108°C ± 2°C Tiempo de Secado:

Después del Secado

108°C ± 2°C 15 min

Peso Seco:

8,0 g

FUENTE: Elaboración propia

108 109

Norma TAPPI T257 cm – 85, Muestreo y preparación de muestras para análisis, 1999 IBID

94 – 150

Los resultados que se hallan en el ANEXO II se grafican como se observa a continuación: FIG. 42: CURVA DE SECADO 100 90 80 70

Humedad [%]

60 50 40 30 20 10 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16

Tiempo [min] FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con la FIG. 42, la humedad de equilibrio es de 8 g y se alcanza un tiempo total de 15 min con una temperatura constante de 108°C ± 2°C. La curva de secado tienen una tendencia descendente, es decir una caída en el porcentaje de humedad respecto del peso inicial en los primeros 10 minutos, luego se atenúa hasta llegar a la humedad de equilibrio a los 15 minutos y 50 segundos (después de este tiempo no se registraron cambios en el contenido de humedad). Durante el proceso de secado se observó que las fibras sufrieron una contracción disminuyendo su volumen, el aspecto final de la muestra fue muy parecido al de un tronco de madera. Conclusiones: De acuerdo con los resultados obtenidos se concluye que la cantidad de humedad presente en el raquis de banano es de 93,44% respecto del peso húmedo, es decir se perdieron 85,44 g de agua, como consecuencia el volumen de cada trozo se reduce considerablemente.

95 – 150

3.7.1.5

Triturado

Esta operación tiene como finalidad reducir el tamaño de cada trozo a partículas más pequeñas para favorecer la extracción. El triturado se realiza por medio de una

moledora eléctrica con el objeto de obtener diferentes

tamaños de partículas conforme se incrementa el tiempo de trituración. La moledora empleada para realizar esta operación se observa en la FIG. 43, que de acuerdo a sus especificaciones técnicas se conoce que la velocidad de rotación de las cuchillas es de 800 rpm. FIG. 43: EQUIPO DE TRITURADO

FUENTE: Obtención propia

A continuación se muestra el procedimiento para triturar los trozos de material libre de humedad: 

Se pesa el pinzote que se va a triturar, (el peso recomendado es de 20 g el cual se adecua a la capacidad del equipo).



Se inicia el triturado empleando diferentes tiempos que permitan obtener distintos tamaños de partícula. Una vez finalizados los ciclos de trituración se procede a tamizar la muestra.

Resultados: TABLA 29: TAMAÑO DE PARTÍCULA Y TIEMPO DE TRITURACIÓN Tiempo Total [s]

Numero de Tamiz

Tamaño de Partícula [mm]

10

16 mesh

1,180 >

15 – 20

30 mesh y 40 mesh

0,425 - 0,600

25

50 mesh

< 0,300

FUENTE: Elaboración propia

96 – 150

La TABLA 29 muestra el numero de tamiz que se estima va a retener las partícula que se obtienen al emplear diferentes tiempos de trituración. Por lo tanto, con 10 segundos se obtiene un tamaño de partícula que se retendrá con un tamiz de 16 mesh, entre 15 y 20 segundos se obtiene un tamaño de partícula que se retendrá con tamices de 30 mesh y 40 mesh; finalmente a partir de los 25 segundos se obtiene partículas más pequeñas de polvo fino que serán retenidas con un tamiz de 50 mesh. Los tamaños de partícula que se obtienen en la operación de triturado se determinarán por medio de la operación de tamizado. Conclusiones: Con un mayor tiempo de trituración a 800 rpm se puede reducir el tamaño de partícula hasta llegar al polvo fino en un tiempo de 25 s, de acuerdo con la revisión bibliográfica, el polvo fino no es adecuado para la extracción de celulosa; por lo tanto, el tiempo de triturado está comprendido entre 10s a 20 s. 3.7.1.6

Tamizado

La determinación del tamaño de partícula se realizó empleando tamices para establecer que tamaño de partícula permitirá obtener una mayor concentración de celulosa. Para realizar las pruebas se identificó un juego de tamices con 4 diferentes tamaños de abertura de malla (16, 30, 40 y 50 mesh), mediante los cuales se clasificó el material previamente secado y molido para determinar el tamaño de partícula que va a favorecer la extracción sólido líquido. Procedimiento: 

Se ordenan los tamices, limpios y secos, de mayor a menor, de modo que las partículas grandes sean retenidas en los primeros tamices y las partículas más pequeñas pasen hasta el último tamiz.



Se introduce el material triturado sobre el primer tamiz y entre el juego de tamices se colocan los platos de la Zaranda Eléctrica como se muestra en la FIG. 44. Se programa el tiempo de vibración del equipo a 5 min.

97 – 150

FIG. 44: EQUIPO DE TAMIZADO

FUENTE: Obtención propia

Los resultados de la prueba de tamizado observan en la siguiente tabla: TABLA 30: CANTIDAD DE MATERIAL TRITURADO VS TIEMPO Apertura de Tamiz Tiempo de Triturado

16 mesh g

%

30 mesh g

%

40 mesh g

%

50 mesh g

%

Polvo fino g

%

Peso Total

10 s

5,87 29,51 4,86 24,43 3,34 16,79 2,46 12,37 3,36 16,89

19,89

15 s

4,31 22,22 4,92 25,36 3,75 19,33 2,71 13,97 3,71 19,12

19,40

20 s

3,19 16,14 3,63 18,37 4,86 24,60 4,19 21,20 3,89 19,69

19,76

25 s

2,56 12,90 3,67 18,49 4,65 23,43 4,77 24,03 4,20 21,16

19,85

FUENTE: Elaboración propia

Se puede observar que a medida que se incrementa el tiempo de trituración la proporción del tamaño de partícula grande se reduce e incrementa la proporción del tamaño fino. También se puede observar que el peso inicial antes del triturado de cada muestra era de 20 g y la sumatoria del peso de cada tamaño de partícula es menor a esta cantidad, esto se debe a las mermas que podrían haber quedado en la moledora eléctrica y los tamices. Se realizó el cálculo del diámetro de la partícula en función del tamaño de abertura de cada tamiz, calculando la media aritmética entre el tamaño se abertura del tamiz por el que pasan las partículas y el tamaño de abertura del tamiz que retienen las partículas; los resultados se muestran en la siguiente tabla: 98 – 150

TABLA 31: TAMAÑO DE PARTÍCULA No de tamiz

Diámetro de Tamaño de Abertura Partícula Promedio

14

1,400 mm

16

1,180 mm

1,290 mm

30

0,600 mm

0,890 mm

40

0,425 mm

0,512 mm

50

0,300 mm

0,362 mm

100 (Polvo Fino)

0,150 mm

0,225 mm

FUENTE: Elaboración propia

La TABLA 31 muestra los tamaños de partículas identificados por diámetro, los cuales serán empleados posteriormente para realizar la extracción de celulosa y así poder evaluar el efecto del tamaño de partícula en la extracción sólido – líquido. Las condiciones de trabajo para realizar las pruebas con los 5 tamaños de partícula elegidos se muestran a continuación: Condiciones de Experimentación RS/L: 1/30 [g/ml] Concentración de NaOH: 2% (en peso) Temperatura de Extracción: 16,9°C * Tiempo de Extracción: 2 horas * El rango de temperatura establecido para todas las pruebas de extracción sólido líquido es de 10°C hasta 20°C. Para realizar las lecturas en el espectrofotómetro se realiza la preparación de la muestra de acuerdo al procedimiento reportado en el ANEXO III y la concentración de celulosa se determina empleando la curva de patrón. Los resultados de la espectrofotometría para tamaño de partícula se muestran en la siguiente tabla:

99 – 150

TABLA 32: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE TAMAÑO DE PARTÍCULA Tamaño de Partícula Promedio

Absorbancia

Concentración de Celulosa

1,290 mm

0,123

8%

0,890 mm

0,154

10%

0,512 mm

0,184

12%

0,362 mm

0,226

14%

0,225 mm (Polvo Fino)

0,170

11%

FUENTE: Elaboración propia

Análisis de Resultados: Los resultados de la TABLA 32 se grafican en la siguiente figura con el objeto de tener una mejor visión de los resultados: FIG. 45: EFECTO DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA Concentracion [%]

15% 14% 13% 12% 11% 10% 9% 8% 7% 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Tamano de Particula [mm] FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con los resultados de la FIG. 45, se observa que la concentración de celulosa en la extracción se incrementa a medida que se reduce el tamaño de partícula y se reduce cuando se emplea polvo fino. Los diámetros de abertura de cada tamiz separan las partículas de acuerdo a su diámetro; las partículas de mayor diámetro tienen menor área de contacto entre el sólido y el solvente; por lo tanto, es más difícil extraer la celulosa que se encuentra en el interior de las partículas.

100 – 150

Conclusiones: Debido a que las partículas no tienen una dimensión homogénea el tamaño de partícula elegido para la extracción de celulosa se encuentra entre 0,300 mm y 0,425 mm (0,362 mm en promedio) el cual se obtiene por medio de un tamiz menor a 40 mesh y mayor a 50 mesh, con un tiempo de trituración de 25s. 3.7.1.7

Extracción Sólido Líquido

La extracción sólido liquido tiene por objeto extraer la celulosa por medio de un disolvente para separar la lignina de este componente. Las anteriores operaciones constituyen la etapa de preparación del sólido para que el solvente se pueda difundir fácilmente en la masa del sólido facilitando la extracción de la celulosa. Esta operación es de gran importancia dentro del proceso de extracción de papel porque de ella depende la calidad de la pasta y las características del producto final. A) Relación Solvente Alimentación Las pruebas con diferentes relaciones solvente – alimentación permiten identificar la cantidad óptima de solvente que permita obtener una mayor concentración de celulosa. Las condiciones para realizar las pruebas para relación solvente alimentación son: Condiciones de Experimentación Tamaño de partícula: 0,300 mm - 0,425 mm Concentración de NaOH: 2% (en peso) Temperatura de Extracción: 15,2°C Tiempo de Extracción: 2 horas En las siguientes pruebas se va a emplear el tamaño de partícula de 0,362 mm en promedio ya antes definido y se experimentará con diferentes las relaciones solvente – alimentación (S/F) que son: 40/1, 30/1, 25/1, 20/1, 10/1 y 5/1. 

Se disuelve NaOH al 2% en el volumen referido a cada una de las relaciones solvente alimentación. Por ejemplo, para la relación de 40/1 se toman 39,2 g de H2O y 0,8 g de NaOH, se realiza la misma preparación para las demás relaciones solvente – alimentación. 101 – 150



Se pesa la cantidad de sólido (pinzote seco y triturado) que se va a emplear de acuerdo con cada una de las relaciones solvente alimentación.



Se introduce el sólido en el disolvente a la temperatura ambiente y se espera que la extracción finalice en 2 horas.

Para realizar las lecturas en el espectrofotómetro se realiza la preparación de la muestra de acuerdo al procedimiento reportado en el ANEXO III. Se calculó la concentración de celulosa empleando la absorbancia de la curva patrón. Los resultados de la espectrofotometría para tamaño de partícula se muestran en la siguiente tabla: Resultados: TABLA 33: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE RELACIÓN S/F No. De Prueba

Relación S/F

Absorbancia

Concentración de Celulosa

1

40/1

0,187

12%

2

30/1

0,226

14%

3

25/1

0,284

17%

4

20/1

0,315

19%

5

10/1

0,254

16%

5/1

*

*

6

FUENTE: Elaboración propia

*Con una relación solvente alimentación de 5/1 no se logro obtener la pasta de celulosa ni extracto. Análisis de Resultados: Los resultados de la TABLA 33 se grafican en la siguiente figura con el objeto de tener una mejor perspectiva:

102 – 150

FIG. 46: EFECTO DE LA RELACIÓN SOLVENTE ALIMENTACIÓN 20%

Concentracion [%]

19% 18% 17% 16% 15% 14% 13% 12% 11% 10% 0

1

2

3

4

5

6

7

Numero de Prueba FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con los resultados de la FIG. 46, se observa que mientras se reduce la cantidad de disolvente respecto de una unidad de sólido, la concentración de celulosa en la extracción incrementa, registrándose una caída de dicha concentración cuando la relación solvente alimentación se reduce. Conclusiones: Una elevada relación solvente alimentación resultó inadecuada para extraer la celulosa, mientras las relaciones solvente alimentación de 10/1 y 5/1 fueron insuficientes. El punto intermedio entre estos valores de 20/1 que dio mejores resultados. Por lo tanto se determina que la relación solvente alimentación óptima para la extracción se celulosa es de 20/1 con la cual se obtiene un 19% concentración de celulosa. B) Concentración del Solvente La concentración del solvente es fundamental por que influye en la extracción de la celulosa, dejando la lignina y hemicelulosa en el sólido del extracto. Las condiciones de trabajo para realizar las pruebas para la concentración del solvente son:

103 – 150

Condiciones de Experimentación Tamaño de partícula: 0,300 mm - 0,425 mm Relación solvente alimentación: 20/1 Temperatura de Extracción: 15,8°C Tiempo de Extracción: 2 horas Las concentraciones de NaOH (solvente) que se van a emplear para realizar las pruebas son de: 1%, 2%, 3%, 4% y 5% en peso. Procedimiento: 

Se pesa la cantidad de NaOH a emplear para disolver en el volumen referido a cada una de las concentraciones del solvente.



Se pesa la cantidad de sólido (pinzote seco y triturado) que se va a emplear de acuerdo con la relación solvente alimentación definida.



Se introduce el sólido en el disolvente a la temperatura ambiente y se espera que la extracción finalice en 2 horas.

Para realizar las lecturas en el espectrofotómetro se realiza la preparación de la muestra de acuerdo al procedimiento reportado en el ANEXO III y se calculó la concentración de celulosa empleando la curva patrón. Resultados: Los resultados de la espectrofotometría para tamaño de partícula se muestran en la siguiente tabla: TABLA 34: RESULTADOS DE LA CONCENTRACIÓN DEL DISOLVENTE Concentración Concentración Absorbancia del Solvente De Celulosa 1%

0,256

16%

2%

0,318

19%

3%

0,394

23%

4%

0,286

17%

5%

0,246

15%

FUENTE: Elaboración propia

104 – 150

Análisis de Resultados: Los resultados de la TABLA 34 se grafican en la siguiente figura:

Concentracion de Celulosa

FIG. 47: EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DEL SOLVENTE 25% 23% 21% 19% 17% 15% 0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

Concentracion del Solvente [%] FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con los resultados de la FIG. 47, se observa que mientras se incrementa la concentración del solvente la cantidad de celulosa en la extracción incrementa, pero se produce una caída de esta concentración cuando la concentración del solvente es mayor al 3%. Conclusiones: Una baja concentración del solvente resulto ser insuficiente para extraer toda la celulosa presente en la fibra, las concentraciones de 4% y 5% dañaron la fibra, el daño se produjo por la degradación de la celulosa por acción del NaOH, esto se traduce en una reducción de la concentración de celulosa en la extracción. Los mejores resultados se presentaron con la concentración de 3%. Por lo tanto, se determina que la concentración del solvente óptimo para la extracción de celulosa es del 3%. C) Velocidad de Agitación La velocidad de agitación tiene por objeto incrementar el contacto entre el solvente y el sólido del cual se va a extraer la celulosa, con la incidencia de esta variable se espera una mejora en la concentración de celulosa hasta un

105 – 150

punto donde una velocidad de agitación excesiva más bien perjudique la acción del solvente. Las condiciones de trabajo con las cuales se realizan las pruebas para la concentración del solvente son: Condiciones de Experimentación Tamaño de partícula: 0,300 mm - 0,425 mm Relación solvente alimentación: 20/1 Concentración del solvente: 3% (en peso) Temperatura de Extracción: 13,2°C Tiempo de Extracción: 2 horas Las velocidades de agitación con las cuales se realizarán pruebas son de 50 rpm, 200 rpm, 400 rpm, 600 rpm y sin agitación. Procedimiento: 

Se prepara el solvente con una concentración del 3% en peso.



Se pesa la cantidad de sólido (pinzote seco y triturado) que se va a emplear de acuerdo con la relación solvente alimentación ya definida y se introduce el sólido en el vaso de precipitado.



Se procede a la extracción poniendo el vaso de precipitado sobre un agitador, donde se regula a la velocidad requerida y se espera que la extracción finalice en 2 horas.

Para determinar la concentración de celulosa se realiza la preparación de la muestra de acuerdo al procedimiento reportado en el ANEXO III. Se determina la concentración de la celulosa empleando la curva de patrón. Resultados: Los resultados de la espectrofotometría para la velocidad de agitación se muestran en la siguiente tabla:

106 – 150

TABLA 35: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE VELOCIDAD DE AGITACIÓN Velocidad Concentración Absorbancia de Agitación de Celulosa Sin Agitación

0,391

23,3%

50 rpm

0,402

23,9%

200 rpm

0,426

25,3%

400 rpm

0,417

24,7%

600 rpm

0,498

29,3%

800 rpm

0,241

14,8%

FUENTE: Elaboración propia

Análisis de Resultados: Los resultados de la TABLA 35 se grafican en la siguiente figura con el objeto de tener una mejor perspectiva:

Concentracion [%]

FIG. 48: EFECTO DE LA VELOCIDAD DE AGITACIÓN 32.0% 28.0% 24.0% 20.0% 16.0% 12.0% 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Velocidad de Agitacion [rpm] FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con la FIG. 48, la velocidad de agitación de 50 rpm incrementa la concentración de celulosa en una pequeña proporción, los incrementos de concentración de celulosa significativos se dieron para 200 rpm, 400 rpm y 600 rpm. El resultado para esta última velocidad de agitación dio las mejores concentraciones; en cambio, a 800 rpm la velocidad de agitación impide la acción del solvente en el sólido, dando como resultado una caída en la concentración de celulosa.

107 – 150

También se puede observar la caída de concentración a 400 rpm respecto de otras velocidades de agitación debido a que existen mínimas variaciones de ciertos parámetros que interfieren en la experimentación; sin embargo, este resultado carece de importancia al observar que la mayor concentración de celulosa en todas las pruebas es a 600 rpm. Conclusiones: Se puede concluir que la velocidad de agitación tiene una gran influencia sobre la extracción de celulosa debido a que esta intensifica el contacto entre el solvente y el sólido. Por lo tanto se determina que la velocidad de agitación óptima, para la extracción de celulosa, es del 600 rpm. D) Efecto de la Temperatura La temperatura tiene como objetivo facilitar la extracción sólido líquido. La teoría dice que a mayores temperaturas se produce una mayor solubilidad del solvente en el soluto. En consecuencia se espera que con una mayor temperatura las concentraciones de celulosa se incrementen. El objetivo de las pruebas de temperatura es conocer el efecto tiene en la extracción de celulosa e identificar aquella temperatura que incremente la concentración en el producto final, cuidando que a una determinada temperatura no se produzca la degradación de la pasta, pues como sustancia orgánica es afectada grandemente por la temperatura. A continuación se muestran las condiciones de trabajo con las cuales se realizan las pruebas para el efecto de la temperatura: Condiciones de Experimentación Tamaño de partícula: 0,300 mm - 0,425 mm Relación solvente alimentación: 20/1 Concentración del solvente: 3% en peso Velocidad de Agitación: 600 rpm Tiempo de Extracción: 2 horas Las temperaturas con las cuales se realizarán las pruebas son 40°C, 60°C, 80°C y temperatura ambiente. 108 – 150

Procedimiento: 

Se pesa la cantidad de NaOH para disolver al 3% de concentración.



Se pesa la cantidad de sólido (pinzote seco y triturado) que se va a emplear de acuerdo con la relación solvente alimentación ya definida y se introduce el sólido en el vaso de precipitado.



Se procede a la extracción poniendo el vaso de precipitado en un agitador – calentador. Se regula la velocidad de agitación y el nivel térmico de la hornilla para alcanzar la temperatura deseada.

El control de la temperatura de la extracción se realiza por medio de un termómetro de mercurio, si fuera necesario se debe reducir el nivel térmico de la hornilla para no sobrepasar la temperatura de la extracción. Para determinar la concentración de celulosa se realiza la preparación de la muestra de acuerdo al procedimiento reportado en el ANEXO III y se determina la concentración de la celulosa empleando la curva de patrón. Resultados: Los resultados finales de las pruebas del efecto de la temperatura que se observan en la siguiente tabla: TABLA 36: RESULTADOS DE LA PRUEBA DEL EFECTO DE LA TEMPERATURA Temperatura

Concentración de Celulosa

15°C

29%

40°C

31%

60°C

34%

*80°C

*35%

FUENTE: Elaboración propia

Análisis de Resultados: Los resultados de la TABLA 36 se grafican en la siguiente figura con el objeto de tener una mejor perspectiva de los resultados:

109 – 150

Concentracion [%]

FIG. 49: EFECTO DE LA TEMPERATURA 37% 35% 33% 31% 29% 27% 10

30

50

70

90

Temperatura [°C] FUENTE: Elaboración propia

*Durante la prueba realizada con una temperatura de 80°C la pasta sufrió daño por la degradación de la celulosa, por lo tanto, esta temperatura no es recomendada. De acuerdo con la FIG. 49, se puede observar que mientras se incrementa la temperatura en la extracción, la concentración de celulosa también incrementa entre 2% a 3% por cada 20°C. Conclusiones: Se puede concluir que la temperatura de extracción tiene una gran influencia sobre la extracción de la celulosa debido a que esta incrementa la solubilidad del solvente en el soluto. Se determina que la temperatura de extracción óptima es del 60°C la cual incrementa la concentración de celulosa en un 5%, obteniendo un total de 34% de concentración. E) Determinación de la Concentración de Equilibrio Las pruebas tienen la finalidad de identificar el tiempo de extracción en el cual ya no es posible extraer más celulosa del pinzote de banano, este punto se conoce como concentración de equilibrio. A continuación se muestran las condiciones de trabajo con las cuales se realizan las pruebas para este efecto.

110 – 150

Condiciones de Experimentación Tamaño de partícula: 0,300 mm - 0,425 mm Relación solvente alimentación: 20/1 Concentración del solvente: 3% (en peso) Velocidad de Agitación: 600 rpm Temperatura: 15,3°C, 40°C, 60°C y 80C°C Para realizar las pruebas de la concentración de equilibrio se utilizó el procedimiento para la extracción de celulosa antes mencionado. Para esta prueba se realizan las lecturas en el espectrofotómetro cada 15 min y se realiza la preparación de las muestras de acuerdo con el siguiente procedimiento: 

Preparar el blanco para las lecturas realizando una disolución de NaOH al 3% con agua des ionizada.



Tomar una muestra del extracto manteniendo el vaso de precipitado en la hornilla – agitador.



Verter la muestra del extracto por un filtro de polietileno de 50 mesh para dejar pasar el extracto hasta un vaso de precipitado limpio y seco.



Tomar de 2,6 ml de la muestra para verterlos dentro del vaso de cuarzo del espectrofotómetro.



Calibrar el espectrofotómetro con el blanco a 457nm de longitud de onda.



Depositar el vaso de cuarzo con la muestra en el espectrofotómetro e identificar su absorbancia para calcular la concentración de celulosa empleando la curva patrón.

Resultados: Los resultados de la espectrofotometría para la determinación de la concentración de equilibrio se muestran en el ANEXO IV con los cuales se realizo la siguiente grafica:

111 – 150

FIG. 50: CONCENTRACIÓN DE EQUILIBRIO A DIFERENTES TIEMPOS

Concentracion de Celulosa [%]

40%

80°C

35%

60°C 40°C 15°C

30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 0

30

60

90

120

150

180

Tiempo [min] FUENTE: Elaboración propia

Análisis de Resultados: La FIG. 50 muestra las curvas de temperatura de extracción, se puede observar que la temperatura incrementa la concentración de celulosa hasta llegar a un punto donde ya no es posible extraer mayor cantidad de celulosa, porque la concentración se mantiene constante. De acuerdo con la grafica, la concentración de equilibrio que es función de la temperatura de extracción. *Los resultados obtenidos para la prueba de temperatura a 80°C incrementan la concentración de celulosa hasta un 35%, pero se observó que la fibra de celulosa sufrió un daño irreversible, imposibilitando de esta manera su empleo en la obtención de papel. Conclusiones: La concentración de equilibrio para la extracción sólido liquido es de 34% con una temperatura de 60°C, comprobando que el equilibrio se alcanza en un tiempo de 2 horas, tiempo que fue empleado en todas las pruebas experimentales demuestran que el tiempo elegido fue el correcto.

112 – 150

F) Pruebas Adicionales para Concentración del Solvente Mediante un análisis de los resultados de las pruebas para la extracción sólido líquido se determinó necesario realizar pruebas adicionales para elevar el porcentaje de celulosa en la extracción mediante pequeños pero significativos incrementos en la concentración de NaOH por ser la variable más sensible. A continuación se muestran las condiciones de trabajo con las cuales se realizan las pruebas adicionales. Condiciones de Experimentación Tamaño de partícula: 0,300 mm - 0,425 mm Relación solvente alimentación: 20/1 Concentración del solvente: 3% (en peso) Velocidad de Agitación: 600 rpm Temperatura: 15,8°C Tiempo de Extracción: 2 horas Para realizar las pruebas se utilizó el procedimiento para la extracción de celulosa antes mencionado. Resultados: Los resultados alcanzados para las nuevas concentraciones del solvente a temperatura ambiente son: TABLA 37: RESULTADOS DE LA PRUEBA ADICIONAL PARA CONCENTRACIÓN DEL SOLVENTE Concentración Concentración Absorbancia del Solvente de Celulosa 2,5%

0,398

24%

3,5%

0,512

30%

3,6%

0,545

32%

3,7%

0,584

34%

3,8%

0,561

33%

3,9%

0,539

32%

FUENTE: Elaboración propia

113 – 150

Análisis de Resultados: Los resultados de las pruebas adicionales de concentración de solvente muestran que a 2,5% de NaOH la concentración de celulosa está por debajo del 29% que antes se había logrado con 3% de NaOH; por otra parte, existe un incremento de la concentración de celulosa a partir de los 3,5% y reduce la concentración a partir de 3,8% en adelante. Conclusiones: La mayor concentración de celulosa en estas pruebas fue de 3,7% de NaOH y a temperatura ambiente, dando un resultado total de 34% de concentración de celulosa. Conclusiones de la Operación de Extracción Sólido Líquido: Se realizaron pruebas para identificar la concentración final de la celulosa con el procedimiento antes mencionado y con las siguientes condiciones de trabajo: Condiciones de Experimentación Tamaño de partícula: 0,300 mm - 0,425 mm Relación solvente alimentación: 20/1 Concentración del solvente: 3,7% (en peso) Velocidad de Agitación: 600 rpm Temperatura: 15,8°C Para realizar las pruebas se utilizó el procedimiento para la extracción de celulosa

antes

mencionado.

Los

resultados

de

la

evaluación

espectrofotometría se muestran en la siguiente tabla: TABLA 38: RESULTADOS DE LA EXTRACCIÓN SÓLIDO LÍQUIDO Absorbancia 0,663 0,662 0,667 0,660 0,665 Promedio

Concentración de Celulosa 38,6% 38,5% 38,8% 38,4% 38,7% 38,6%

FUENTE: Elaboración propia

114 – 150

por

De acuerdo con los resultados observados en la TABLA 38 la concentración promedio para celulosa es de 38,6%. Se alcanzó este resultado gracias a la interacción de las variables que fueron definidas para la extracción sólido líquido. La FIG. 51, muestra los efectos comparativos para las diferentes variables de operación: FIG. 51: INTERACCIÓN DE LAS VARIABLES OPERATIVAS PARA LA OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO EXTRACCIÓN SÓLIDO LÍQUIDO

Concentracion de Celulosa

45% 40% 35% 30%

Tamano de Particula

25%

Relacion S/L

20%

Concentracion del Solvente

15%

Velocidad de Agitacion

10%

Temperatura Concentracion Final

5% 0% 0

1

2

3

4

5

6

7

Numero de Prueba FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con la grafica, se observa un incremento de las concentraciones por cada variable experimental. Se observó que el tamaño de partícula tiene poco efecto en la concentración comparada con la concentración del solvente, la velocidad de agitación y la temperatura; estas dos últimas variables tienen mayor efecto en la concentración de celulosa. Con cada una de las variables se alcanzó valores máximos para la extracción sólido líquido; sin embargo, la selección de las variables que se muestran en la TABLA 39, dan en conjunto una concentración final del 38,6% en promedio.

115 – 150

TABLA 39: VARIABLES PARA LA EXTRACCIÓN SÓLIDO LÍQUIDO Variable Tamaño de Partícula

Valor 0,362 mm

Relación Solvente Alimentación

20/1

Concentración de NaOH

3,7%

Velocidad de Agitación Temperatura de Extracción Tiempo de Extracción

600 rpm 60°C 2:05 hrs

FUENTE: Elaboración propia

La TABLA 39 muestra las variables de control para la extracción sólido líquido que se obtuvieron durante la experimentación. El incremento de la concentración de celulosa se comprobó durante la experimentación con el color del extracto, como su puede observar en la siguiente imagen, existe una diferencia de color entre los vasos de precipitado. FIG. 52: PRUEBAS DE TEMPERATURA DE EXTRACCIÓN

FUENTE: Obtención propia

La eliminación de mayor cantidad de lignina de las fibras otorga un color café rojizo al refino, de esta manera la imagen de la derecha (prueba de 60°C) es más oscura que la imagen de la izquierda (prueba de 40°C) porque existe mayor extracción de celulosa. 3.7.1.8

Neutralizado

El neutralizado tiene por objeto reducir el pH de la pasta hasta 7. Esta operación se realiza por medio del lavado de la pasta con agua destilada y des ionizada para eliminar la lignina residual y disolver el NaOH. 116 – 150

Las pruebas buscan determinar el volumen de agua necesario para neutralizar la pasta a un pH 7. Se empleó agua para el neutralizado porque permite disolver fácilmente cualquier sustancia reduciendo de esta manera el pH. Las condiciones de trabajo para las pruebas de neutralizado son las siguientes: Condiciones de Experimentación Temperatura Ambiente: 13,4°C Conductividad del Agua: 0,36 µS/cm pH del agua destilada: 6,88 Para la prueba de neutralizado se realizó la extracción sólido líquido empleando los valores de las variables identificadas en la TABLA 39, las mediciones de pH se realizaron por medio de peachímetro Procedimiento: 

Terminada la extracción se procede a separar el sólido agotado del extracto. Por esto se vierte el contenido del vaso de precipitado sobre un fieltro para obtener solo el extracto.



Se mide el volumen de 250 ml de agua destilada en una probeta para verterla sobre la pasta y filtrar el agua residual.



Sumergir el electrodo del medidor de pH en el vaso de precipitado que contiene el agua residual del lavado como se observa en la FIG. 53. FIG. 53: MEDICIÓN DE pH PARA NEUTRALIZADO

FUENTE: Obtención propia



Se observa el cambio del pH Para cada nuevo volumen de agua residual, para identificar el volumen con el que se alcanza un valor de 7. 117 – 150

Resultados: A partir del anterior procedimiento se obtienen los resultados reportados en el ANEXO V. Se alcanzó un pH de 7,23 con 15 lavados de 250 ml cada uno. Análisis de Resultados: De acuerdo con los resultados obtenidos en la prueba se observó que mientras se incrementa la cantidad de agua para realizar lavados en la pulpa, el pH del agua residual se reduce hasta llegar a un valor de 7,23. FIG. 54: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE NEUTRALIZADO

FUENTE: Obtención propia

De acuerdo con la FIG. 54 existe un cambio de color en el agua residual; el primer vaso de precipitado contiene el extracto de la extracción sólido líquido y los demás vasos de precipitado contienen agua residual. Conclusiones: El volumen total que se debe empelar para reducir el pH de la pasta hasta 7,32, dicho resultado se alcanza con 15 lavados de 250 ml cada uno. El volumen de agua también permite la eliminación de lignina residual provocando que el color de las fibras cambien desde un marrón rojizo oscuro hasta un amarillo. 3.7.1.9

Blanqueado

El blanqueado es la operación que permite purificar la pasta mediante la eliminación de la lignina residual. El objetivo de las pruebas es identificar el agente blanqueador y su respectiva concentración que otorgue el color más claro respecto a los otros blanqueadores y no ocasione daños a la pasta. Para la selección del mejor agente blanqueador se emplearon tres sustancias que están recomendadas en la literatura para el blanqueo de la celulosa por su por su poder oxidante: 118 – 150



Peróxido de Hidrogeno



Hipoclorito de Sodio



Acido Oxálico

Para conocer el poder de blanqueado que posee cada una de las anteriores sustancias se realizaron pruebas con las mismas concentraciones para cada una de las sustancias, empleando 5%, 15% y 20%. Las condiciones de trabajo para realizar las pruebas de blanqueado de la pasta de celulosa son: Condiciones de Experimentación Temperatura Ambiente: 14,6°C Conductividad del Agua: 0,44 µS/cm pH del agua destilada: 6,87 Para elaborar la presente prueba se realizó la extracción sólido líquido empleando los valores de las variables identificadas en la TABLA 39. Procedimiento: 

Una vez terminada la extracción se procede a separar la pasta del extracto mediante un fieltro ajustado al vaso de precipitado.



Se vierten volúmenes aditivos de 250 ml agua destilada sobre la pasta 15 veces utilizando el fieltro para eliminar el agua residual.



Se preparan las concentraciones deseadas para cada sustancia y se introduce la pasta en la solución.



Se deja actuar al agente blanqueador durante 5 minutos para luego filtrar la solución y observar los cambios en la pasta.

Este procedimiento se repite para cada una de las concentraciones de los agentes blanqueadores.

119 – 150

Resultados: A partir del anterior procedimiento se obtienen los siguientes resultados: TABLA 40: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE BLANQUEADO Concentración del Agente Blanqueador

Peróxido de Hidrogeno

Acido Oxálico

Hipoclorito de Sodio

5%

Café Claro

Café Oscuro

Marfil Claro

10%

Café Claro

Café Oscuro

Marfil Claro

15%

Café Claro

Café Oscuro

Marfil Claro

FUENTE: Elaboración propia

Análisis de Resultados: Al emplear acido oxálico la pasta no obtuvo un blanqueado muy significativo, además carece de consistencia, lo que da como resultado un papel muy acartonado para las tres concentraciones utilizadas. Al emplear peróxido de hidrogeno la pasta obtuvo un color más claro comparado con el color inicial de la pasta, existen leves diferencias de tonos para cada una de las concentraciones siendo la concentración del 5% la más oscura y la del 15% la más clara. Se observó que la consistencia de la pasta disminuye conforme se incrementa la concentración de peróxido de hidrogeno, por lo tanto el papel que se blanquea con 5% de concentración es mucho más flexible que el de 15%. Al emplear hipoclorito de sodio la pasta obtuvo un color mucho más claro comparado con el color inicial de la pasta, existen leves diferencias de tonos para cada una de las concentraciones, siendo la concentración del 5% la más oscura y la del 15% la más clara dentro del los tonos de amarillo. Conclusiones: La disminución de la consistencia de las pastas se debe a la acción degenerativa en la celulosa por parte del acido oxálico y el hipoclorito de sodio. Por otra parte, el peróxido de hidrogeno tampoco blanquea lo suficiente comparado con el hipoclorito de sodio.

120 – 150

Por lo tanto, se deben realizar pruebas para disminuir la concentración del hipoclorito de sodio desde el 5% para incrementar la consistencia de la pasta y observar los resultados. A) Pruebas Adicionales para Hipoclorito de Sodio Las pruebas adicionales para la concentración del hipoclorito de sodio se realizaron

con

concentraciones menores al 5% para incrementar la

consistencia de la pasta. Las condiciones de trabajo para realizar las pruebas de blanqueado con hipoclorito de sodio son: Condiciones de Experimentación Temperatura Ambiente: 16,2°C Conductividad del Agua: 0,42 µS/cm pH del agua destilada: 6,88 Para elaborar la presente prueba se realizó la extracción sólido líquido empleando los valores de las variables identificadas en la TABLA 39. Procedimiento: 

Se preparan las concentraciones deseadas en 100 ml de agua destilada y se introduce la pasta en la solución.



Se deja actuar al agente blanqueador durante 5 minutos para luego filtrar la solución y observar los cambios en la pasta.

Este procedimiento se repite para varias concentraciones hasta observar que una determinada concentración no blanquea la pasta lo suficiente. Resultados: A partir del anterior procedimiento se obtienen los siguientes resultados:

121 – 150

TABLA 42: RESULTADOS DE LA PRUEBA BLANQUEADO CON HIPOCLORITO DE SODIO Concentración del Agente Blanqueador

Color de la Pasta

Consistencia de la Pasta

4%

Marfil Claro

Media

3%

Marfil Oscuro

Elevada

2%

Café Claro

Elevada

FUENTE: Elaboración propia

Análisis de Resultados: De acuerdo con los resultados obtenidos en la TABLA 42, se puede observar que los colores más claros se obtienen con concentraciones de 4% y 3%, la consistencia de la pasta se reduce conforme se eleva la concentración de hipoclorito de sodio. También se puede observar que al 2% de concentración la pasta es más oscura. Es necesario realizar una prueba adicional para encontrar la concentración del hipoclorito de sodio que permita obtener un color marfil claro con una consistencia elevada. Las pruebas adicionales se realizaron de acuerdo con el procedimiento antes mencionado para concentraciones de 3,3%, 3,5% y 3,7% en 100 ml de agua destilada. TABLA 43: RESULTADOS DE LA PRUEBA ADICIONAL DE BLANQUEADO CON HIPOCLORITO DE SODIO Concentración del Agente Blanqueador

Color de la Pasta

Consistencia de la Pasta

3,7%

Marfil Claro

Elevada

3,5%

Marfil Oscuro

Elevada

3,3%

Marfil Oscuro

Elevada

FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con los resultados observados en la TABLA 43, la pasta tiene consistencia con las tres concentraciones, pero el color más claro se obtiene con una concentración del 3,7%. Las concentraciones por debajo del 3,3% de hipoclorito de sodio no blanquean lo suficiente, la pasta todavía es oscura. 122 – 150

Conclusiones: Por lo tanto, se determina que la concentración óptima del hipoclorito de sodio para el blanqueado es de 3,7%. B) Tiempo de Blanqueado Para obtener mejores resultados en el blanqueado del papel se debe considerar la temperatura del agente blanqueador y su tiempo de acción. Para identificar los valores de estas variables se realizaran dos pruebas con la concentración de hipoclorito de sodio ya identificada de 3,7% en 100 ml de agua destilada. Procedimiento para determinar el tiempo de blanqueado: 

Se prepara 3,7% de hipoclorito de sodio en 100 ml de agua destilada a temperatura ambiente.



Se deja actuar al agente blanqueador durante 5, 10 y 15 minutos para luego filtrar las soluciones y observar los cambios en la pasta.

Resultados: A partir del anterior procedimiento se obtienen los siguientes resultados: TABLA 44: RESULTADOS DE TIEMPO DE BLANQUEADO Tiempo de Blanqueado

Color de la Pasta

Consistencia de la Pasta

5 min

Marfil Oscuro

Elevada

10 min

Marfil Claro

Media

15 min

Marfil Claro

Media

FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con los resultados de la TABLA 44, con 10 minutos de blanqueado la pasta tiene un color marfil claro, pero la consistencia de la pasta es regular. Por lo tanto, es necesario realizar una prueba adicional para encontrar el tiempo de blanqueado con hipoclorito de sodio que permita obtener un color marfil claro con una consistencia elevada.

123 – 150

Las pruebas adicionales se realizan de acuerdo con el procedimiento antes mencionado para tiempos que se encuentren entre 5 min y 10 minutos, se espera que este rango de tiempo permita mejorar la consistencia y obtener un color más claro. TABLA 45: RESULTADOS DE LA PRUEBA ADICIONAL DE TIEMPO DE BLANQUEADO Concentración del Agente Blanqueador

Color de la Pasta

Consistencia de la Pasta

6 min

Marfil Oscuro

Elevada

7 min

Marfil Oscuro

Elevada

8 min

Marfil Claro

Elevada

9 min

Marfil Claro

Media

FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con los resultados observados en la TABLA 45, la pasta deja de tener consistencia a partir de los 9 min, por lo tanto el tiempo de blanqueado con hipoclorito de sodio debe ser de 8 minutos. C) Efecto de la Temperatura en el Blanqueado Las pruebas de blanqueado preliminares se realizaron a temperatura ambiente (16,2°C) y es probable que a los 60°C la celulosa empiece a degradarse por efecto de esta temperatura. Por lo tanto se deben realizar pruebas de blanqueado a temperaturas que se encuentren entre 40°C y 60°C. La determinación del efecto de la temperatura en el blanqueado se efectuó de la siguiente manera: 

Se prepara 3,7% de hipoclorito de sodio en 100 ml de agua destilada a temperaturas de 40°C, 50°C y 60°C.



Introducir la pasta neutralizada en la solución del agente blanqueador.



Se deja actuar al agente blanqueador durante 8 minutos para luego filtrar las soluciones y observar los cambios en la pasta.

124 – 150

Resultados: A partir del anterior procedimiento se obtienen los siguientes resultados: TABLA 46: RESULTADOS DE TEMPERATURA DE BLANQUEADO Temperatura de Consistencia Color de la Pasta Blanqueado de la Pasta 60°C Amarillo Arena Baja 55°C

Amarillo Arena

Elevada

50°C

Marfil

Elevada

40°C

Marfil

Elevada

FUENTE: Elaboración propia

Como se puede observar en la TABLA 46, la pasta pierde su consistencia a los 60°C, pero se obtiene un color más claro, en cambio, a los 40°C la consistencia de la pasta se mantiene, pero el color de pasta es más oscuro. Fue necesario realizar una prueba adicional entre 50°C y 60°C para encontrar la temperatura de blanqueado con hipoclorito de sodio que permita mejorar el color de la pasta con una consistencia elevada, este resultado en la pasta se logró a una temperatura de 55°C. Se observó que cuando la pasta sufre daño por efecto de la temperatura del agente blanqueador es difícil de formar y laminar para obtener una hoja de papel; al no poseer consistencia, la pasta se vuelve seca y el papel resultante carece de flexibilidad. Conclusiones: La temperatura tiene una gran influencia en el blanqueado de la pasta debido al incremento en la calidad de la misma. Las temperaturas arriba de los 60°C resultan ser dañinas para la pasta, mientras que temperaturas por debajo de los 40°C no producen cambios sustanciales en el color de la pasta. Por lo tanto se determina que la temperatura del agente blanqueador óptima para el blanqueado con hipoclorito de sodio es de 55°C. Variables de la Operación de Blanqueado La experimentación realizada sobre la prueba de blanqueado estableció los siguientes resultados para las variables: 125 – 150

TABLA 47: RESULTADOS DE LA OPERACIÓN DE BLANQUEADO Variable

Valor

Concentración del Hipo Clorito de Sodio

3,7%

Tiempo de Blanqueado

8 min

Temperatura de Blanqueado

55°C

FUENTE: Elaboración propia

3.7.1.10 Laminado El laminado tiene como finalidad reducir el espesor de la pasta para formar una lamina delgada, para controlar esta variable se identifican diferentes espesores los cuales se pueden obtener mediante una regulación de la distancia entre los dos rodillos de la laminadora. De acuerdo con la revisión bibliográfica se sabe que el espesor tiene influencia en el color final de la hoja de papel debido a que la fuerza ejercida en la pasta húmeda elimina el blanqueador presente en la misma, disminuyendo de esta manera la acción del blanqueador después del laminado. Por esta razón se realizaron pruebas de blanqueado de la pasta en función del laminado para hipoclorito de sodio. La FIG. 55 muestra una laminadora de dos rodillos y espesor regulable, empleado para realizar las pruebas de laminado para obtener diferentes espesores en la pasta resultante. FIG. 55: PRUEBA DE LAMINADO

FUENTE: Obtención propia

Para elaborar la presente prueba se realizó la extracción sólido líquido empleando los valores de las variables identificadas en la TABLA 39, la medición del espesor de la hoja se realizó por medio de un Vernier.

126 – 150

La reducción de espesor para la pasta se realiza de manera progresiva para que las fibras queden compactas; los niveles finales de laminación que se emplearon para las pruebas se denominan: laminado medio, laminado fuerte y laminado suave. Procedimiento: Se

realiza

la

obtención

de

celulosa del

pinzote

de

banano

y el

acondicionamiento de pasta de acuerdo con los procedimientos antes mencionados. El blanqueado y laminado se efectuó de la siguiente manera: 

Se preparan las concentraciones de 5%, 10% y 15% de peróxido de hidrogeno e hipoclorito de sodio en 100 ml de agua destilada para cada sustancia y se introduce la cada pasta en las soluciones.



Se filtra la solución por medio de una malla de polietileno y se escurre el agua de la pasta con una espátula de plástico.



Se procede a recoger la pasta con ayuda de la espátula y se coloca la misma sobre un fieltro para evitar que se pegue en los rodillos de la laminadora.



Se lamina la pasta de forma progresiva en tres etapas: primero con el triple del espesor deseado, luego con el doble del espesor deseado y finalmente con el espesor final. Se identifica el espesor final una vez que la pasta está seca con un vernier.

Este procedimiento se realizó para un laminado fuerte, es decir para obtener un espesor mínimo. Resultados: A partir del anterior procedimiento se obtienen los siguientes resultados: TABLA 48: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE LAMINADO FUERTE Concentración del Agente Blanqueador Características de la Pasta Espesor de la Hoja Color

5% de NaCLO

10% de NaCLO

15% de NaCLO

0,15mm Café Claro

0,15mm Marfil Oscuro

0,15mm Marfil Claro

FUENTE: Elaboración propia

127 – 150

Análisis de Resultados: De acuerdo con los resultados de la TABLA 48, el laminado tiene una incidencia fuerte sobre el color de la pasta. Con un laminado fuerte la pasta es más oscura comparada con las pruebas en la operación de blanqueado. También es necesario identificar la incidencia del laminado en las pruebas de 3,3%, 3,5% y 3,7% de concentración de hipoclorito de sodio con laminado fuerte, medio y suave. Los procedimientos para la preparación y acondicionamiento de la pasta son los mismos que se reportaron con anterioridad. TABLA 49: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE LAMINADO Nivel de Laminación Fuerte Medio Suave

3,3% de NaCLO

3,5% de NaCLO

3,7% de NaCLO

Café Claro Espesor de 0,15 mm Marfil Oscuro Espesor de 0,21 mm Café Claro Espesor de 0,27 mm

Marfil Oscuro Espesor de 0,15 mm Marfil Claro Espesor de 0,21 mm Marfil Oscuro Espesor de 0,27 mm

Marfil Oscuro Espesor de 0,15 mm Amarillo Arena Espesor de 0,21 mm Marfil Claro Espesor de 0,27 mm

FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con los resultados de la TABLA 49, se puede observar que el laminado tiene una incidencia fuerte sobre el color de la pasta, con un laminado suave se obtiene una pasta más oscura, pero con un laminado fuerte se observa que el color de la pasta es más oscura aun, con un laminado medio el color es más claro. También se observa que mientras el espesor de la hoja incrementa el papel se torna más acartonado y pierde flexibilidad. El papel que resultó más flexible es el de menor espesor. Se comprobó que el laminado es un factor determinante en el color de la pasta, es una operación importante por que determina las características finales del papel y permite que exista cohesión en las fibras. Conclusiones En el caso de un laminado fuerte las pastas resultantes eran más oscuras debido a la perdida de agente blanqueador durante el laminado, en el caso del

128 – 150

laminado suave las pastas eran oscuras debido a la aglomeración de las fibras en una capa más gruesa. Por lo tanto se establece como nivel de laminado optimo al medio debido a que otorga a la hoja de papel resistencia, flexibilidad un color más claro. El espesor final de la hoja es de 0,21 mm, la concentración del blanqueador óptima es una vez más de 3,7% para hipoclorito de sodio. 3.7.1.11 Prensado El prensado tiene como finalidad reducir la humedad presente en la hoja de papel por medio de un proceso físico de presión hasta alcanzar una determinada humedad a temperatura ambiente; este tipo de prensado se denomina prensado en frio. Por otra parte, esta operación tiene por finalidad mantener cohesionadas las fibras del papel durante el secado por prensado en frio y evitar ondulaciones. Las pruebas a realizarse tienen como objetivo determinar el tiempo de prensado identificando la humedad eliminada de la hoja a diferentes tiempos. La FIG. 56 muestra tres prensas de mesa sujetando dos tablas de madera, empleadas para realizar las pruebas de prensado de la hoja de papel. FIG. 56: PRUEBA DE PRENSADO EN FRIO

FUENTE: Obtención propia

Procedimiento: 

Una vez que se ha realizado la extracción sólido líquido, el neutralizado, el blanqueado y laminado de la pasta, se procede a prensar la hoja de papel. Se coloca la pasta entre dos fieltros secos de algodón.



El fieltro de algodón, con la hoja de papel húmeda en su interior, se coloca entre dos maderas, se mantiene todos los elementos unidos por medio de 129 – 150

una prensa de mesa para sujetar todos los lados y ejercer presión de manera uniforme. 

Para la determinación de la humedad en hojas de papel se retiran las mismas de la prensa a intervalos de tiempo de 2 horas para realizar el pesaje en ese instante.

Las condiciones de trabajo para realizar las pruebas de prensado en frio son: Condiciones de Experimentación Temperatura Ambiente: 19,8°C Peso del pinzote en base seca para la extracción: 2,2 g La humedad de las pastas se determinó secando a una temperatura de 105±1ºC hasta obtener un peso constante. El cálculo de la humedad que se pierde en el prensado se realizó mediante la Ecuación (3) reportada en el Marco Teórico. Resultados: Los resultados de la humedad del papel en diferentes tiempos de prensado están reportados en el ANEXO VI. La siguiente tabla muestra los resultados finales de la operación de prensado del papel de pinzote de banano: TABLA 50: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE PRENSADO EN FRIO Antes del Después del Prensado Prensado

Variable Peso húmedo:

5,4 g

-

Humedad inicial:

65%

-

19,8°C

19,8°C

Tiempo de prensado:

-

14 hrs

Peso seco:

-

1,86 g

Humedad final

-

24%

Temperatura:

FUENTE: Elaboración propia

Análisis de resultados: Se grafican los resultados para determinar la velocidad de secado por prensado frio. Los resultados se muestran a continuación:

130 – 150

FIG. 55: VELOCIDAD DE SECADO POR PRENSADO EN FRIO 70

Humedad [%]

60 50 40 30 20 10 0 0

2

4

6

8

10

12

14

Tiempo [Hrs] FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con la FIG. 55, la humedad inicial de las hojas de papel es del 65%, la cual se reduce drásticamente hasta las ocho horas. Se alcanza la humedad de equilibrio de 24% después de 14 horas. Con este procedimiento la hoja de papel posee flexibilidad y no posee ondulaciones en los bordes. Conclusiones: La gráfica muestra que la humedad se mantiene constante después de las 14 horas de prensado, por lo tanto, este es el tiempo máximo de prensado.

131 – 150

TABLA 51: VARIABLES DE CONTROL DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE PAPEL A PARTIR DEL RAQUIS DE BANANO OPERACIÓN

VARIABLE Numero de trozos

Trozado

219 trozos/unid de pinzote

Longitud de pinzote desechado Humedad perdida

Descortezado

Triturado

Tamizado

Espesor de la corteza Peso de la corteza

93,44%

Velocidad de triturado

800 rpm

Tiempo de triturado Numero de malla

Prensado

25 seg 40 mesh - 50 mesh

Tamaño de partícula

Velocidad de agitación Temperatura de extracción

Concentración de equilibrio

Laminado

108°C ± 2°C

Humedad perdida

Tiempo de extracción

Blanqueado

16 g/unid de pinzote

15 min

Concentración del solvente (NaOH)

Neutralizado

0,58 mm

Tiempo de secado

Relación solvente - alimentación

Extracción Sólido - Liquido

10,4 cm/unid de pinzote 0,30 %

Temperatura de secado Secado

RESULTADO

0,362 mm 20/1 3,7% en peso 600 rpm 60°C 2:05 hrs 38,6% de celulosa

pH inicial de la pasta

12,38

Volumen de agua por cada lavado

250 ml

Numero de lavados totales

15

pH final de la pasta

7,32

Agente blanqueador

Hipoclorito de Sodio

Concentración del agente blanqueador

3,7% en volumen

Tiempo de blanqueado

8 min

Temperatura de blanqueado

55°C

Espesor de la hoja

0,21 mm

Tiempo de prensado

14 hrs

Temperatura de prensado

19,8°C

Humedad de equilibrio del papel FUENTE: Elaboración propia

132 – 150

24%

3.7.2 Características del Papel Obtenido Las características del papel obtenido o producto final se determinarán a través de la medición de las especificaciones técnicas más importantes del papel destinado al uso en técnicas de arte. La determinación de las características permitirá identificar el uso más adecuado para el papel. 3.7.2.1

Gramaje

El gramaje es la expresión de la cantidad de papel distribuido en una unidad de área, este indicador da razón del espesor el cuerpo de un papel. La medición del gramaje para el papel elaborado a partir del raquis de banano se realiza mediante procedimiento de la norma NB 11775: Se miden los lados de las probetas, se calcula el peso por metro cuadrado; las probetas deben ser acondicionadas con una guillotina de tal modo que los bordes opuestos queden paralelos. -

Cortar 10 probetas con un área de 5 cm2.

-

Determinar el área de cada probeta con una aproximaciones del 5%

-

Determinar el peso de cada probeta con 0.25%

Resultados: El cálculo del gramaje se realiza mediante la ecuación (3) reportada en el Marco Teórico. Los resultados de la medición del gramaje para 10 probetas se muestran en el ANEXO IX y continuación se observa el resultado: Gramaje = 245 g/m2 Se puede observar que el gramaje resultante esta dentro de los limites para papeles importados de arte (185 g/m2 – 850 g/m2) identificados en el diagnóstico. 3.7.2.2

Potencial de Hidrogeno

La medición del pH del papel después de todo el proceso es necesaria para determinar si es posible emplear el mismo para técnicas de arte; si el pH es acido o básico el papel envejecerá con mayor rapidez por la autodegradación de la celulosa del papel; sin embargo la literatura dice que es conveniente que el papel tenga un leve agregado alcalino para que el acido del ambiente no 133 – 150

ataque al papel110; por lo tanto, el resultado final debe ser lo más cercano posible a 7. Para realizar la medición del pH se siguieron los siguientes pasos para 10 probetas: -

Desmenuzar 0,1g de papel de raquis de banano e introducirlo en un vaso de precipitado con 50 ml de agua desionizada.

-

Introducir el electrodo del medidor de pH en el vaso de precipitado y observar el resultado.

Resultados: Los resultados de la medición de pH para 10 probetas se muestran en el ANEXO IX y continuación se observa el resultado: pH = 7,24 Se puede observar que el pH final del papel es muy cercano 7, por lo tanto puede ser empleado para técnicas de arte. 3.7.2.3

Carteo

El carteo es el sonido que se produce al golpear el papel con el dedo o sacudirlo en el aire, contra la rigidez de la hoja. Si el sonido es sordo (no hay sonido perceptible) la rigidez del papel es elevada, en cambio, si existe sonido del movimiento de la hoja el papel es poco rígido. Cada papel posee un carteo diferente, es algo que se pone de manifiesto aplicando técnicas comparativas probando entre varias muestras y varios tipos de papel. Para realizar la medición del carteo del papel elaborado con raquis de banano se realizó la escala de comparación que se observa en la FIG. 56.

110

, p. 5.

134 – 150

FIG. 56: MEDICIÓN DEL CARTEO PARA PAPEL Mayor Carteo

Menor Carteo

1

2

Papel Bond

Papel Kraft

3

Papel de Dibujo

Papel de Acuarela

4

Papel de Pastel

Papel de Grabado

5

Papel de Oleo

Carton

Papel del Raquis de Banano

FUENTE: Elaboración propia

Resultados: El resultado de la medición del carteo mediante clasificación continua para 10 probetas se muestra a continuación: Carteo = 3,75 (sonido semi sordo) Los resultados muestran un carteo de 3,75 muy cercano al papel de grabado, esto significa que la rigidez del papel menor al de un cartón y mucho mayor al papel bond. También se pudo observar que la rigidez y carteo están vinculados con el espesor del papel, mientras este sea mayor la rigidez se incrementa. 3.7.2.4

Espesor Final

La medición del espesor del papel se realizó después de la operación de laminado, pero es necesario realizar una nueva medición del espesor después del prensado debido a que puede existir una reducción del mismo por la pérdida de la humedad y la fuerza aplicada por la prensa. Para la determinación del espesor final se siguieron los siguientes pasos para 10 probetas: -

Prensar las probetas una por una con una misma prensa

-

Realizar la medición del espesor de cada una de las probetas con un Vernier Digital.

Cabe mencionar que el espesor del papel después del laminado es de 0,21 mm en todas las probetas.

135 – 150

Resultados: Los resultados de la medición del espesor final para 10 probetas se muestran en el ANEXO IX y continuación se observa el resultado: Espesor Final= 0,20 mm Se puede observar que el espesor final del papel se redujo en un 0,01 mm, por lo tanto, no existe una variación significativa debido al prensado. 3.7.2.5

Textura

La textura en la superficie de un papel está vinculada con el tamaño de fibra y el prensado, esta cualidad también se conoce como tamaño de grano, de acuerdo con la literatura los papeles prensados en frio poseen texturas rugosas aptas para la pintura. Se determinó la textura por medio del tacto, el papel obtenido posee una textura semirugosa comparada con la textura del papel para dibujo que posee una textura lisa. Por lo tanto, el resultado de la prueba es: textura semirugosa, con un tamaño de grano medio y de fibra corta. Conclusiones de las características del producto obtenido: De acuerdo con las evaluaciones para cada especificación técnica y con las características de los papeles de arte, reportadas en la TABLA 13, se concluye que el papel obtenido puede tener una aplicación para dibujo o acuarela por el tamaño de grano, el gramaje y la textura que posee el papel. 3.7.3 Evaluación Comparativa y Uso del Papel Obtenido Es necesario realizar un análisis las características que se lograron obtener en el papel de raquis de banano comparando las mismas con las características de papeles de arte importados y comúnmente utilizados. Mediante una entrevista, los docentes de la Academia Nacional de Bellas Artes identificaron al papel de marca Canson (180g/m 2 – 300g/m2) como el más empleado para acuarela y dibujo. Por lo tanto, la evaluación comparativa se realiza a partir de las características del papel obtenido con el papel importado de marca Canson. Los resultados se observan en la TABLA 51: 136 – 150

TABLA 51: EVALUACIÓN COMPARATIVA DEL PAPEL Papel del Raquis de Banano

Papel CANSON para Dibujo y Acuarela

245 g/m2

180g/m2 – 300g/m2

7,24

7

Sonido semi sordo

Sonido semi sordo

Espesor

0,20 mm

0,16 – 0,35 mm

Textura

Semirugoso

Fina

Medio

Medio

Amarillo Arena

Blanco

Característica Gramaje Potencial de Hidrogeno Carteo

Tamaño de Grano Color FUENTE: Elaboración propia

La tabla comparativa muestra que existen semejanzas entre las características del papel importado y el papel de raquis de banano. Sin embargo, de acuerdo con el criterio de los docentes de la Academia Nacional de Bella Artes, un superficie mas rugosa representa una ventaja por que otorga mayor realce a la obra plasmada, el color no es una característica determinante para papeles de dibujo, pero sí lo es en el caso de pintura en acuarela. De acuerdo a la identificación de las características del papel de raquis de banano y a la evaluación comparativa, el mismo cumple en un 80% con las características técnicas del papel Canson para dibujo y en un 70% para papel de acuarela, por lo tanto, el papel obtenido puede ser empleado en dibujo.

137 – 150

3.8 INTERPRETACIÓN TEÓRICA DE LOS RESULTADOS La interpretación de resultados se realiza para todas aquellas operaciones del proceso de obtención de papel donde la materia prima sufrió una transformación significativa. Esto permite determinar la incidencia de las variables en el proceso y dar una explicación de los fenómenos que ocurrieron durante la experimentación. 

Secado del Raquis de Banano

La eliminación la humedad de las fibras del pinzote de banano se realiza a una temperatura constante mayor a 81°C para que el agua de las fibras se evapore lentamente; siendo la reducción de humedad progresiva y constante. En esta etapa se pierde en las fibras desde la humedad inicial hasta la humedad crítica, posteriormente a partir de la humedad critica hasta la humedad final de las capas internas donde es más difícil evaporar el agua, en la última etapa la curva muestra una disminución en la velocidad de secado hasta alcanzar el punto en el cual la humedad es constante, esto se conoce como humedad de equilibrio. Durante el secado las paredes de los tejidos vegetales se quiebran para que el solvente penetre las paredes celulares con mayor facilidad, por consiguiente se incrementa el rendimiento en la extracción. 

Triturado y Tamizado

El tamizado permite clasificar y obtener un tamaño definido partícula. El uso adecuado de un tamaño de partícula favorece a la extracción sólido líquido por que facilita la acción del solvente en el sólido que contiene la celulosa. En partículas de mayor tamaño, la superficie de contacto entre el sólido y el solvente es menor, por lo tanto, es más difícil que el solvente (NaOH) logre penetrar en las fibras para extraer la celulosa; si el tamaño de partícula es demasiado pequeño el sólido queda en suspensión en el disolvente, perjudicando la acción del solvente. 

Extracción Sólido Líquido

Las fibras del raquis de banano están formadas por fibrillas de celulosa aglomeradas mediante lignina que actúan como material cementante. El 138 – 150

objetivo de esta operación es separar la celulosa de la lignina. Durante la experimentación se buscó obtener el mayor rendimiento en celulosa para esta operación. La importancia de usar un solvente, durante esta operación, es porque la celulosa debe extraerse de las fibras, dejando la lignina que posteriormente se constituye en un subproducto que debe ser eliminado. El producto resultante se constituye en una pasta viscosa de celulosa. Demasiado solvente, tanto en concentración como en volumen, disminuye el rendimiento en celulosa, este comportamiento se atribuye a la degradación, ruptura de los enlaces glucosídicos, que sufren las cadenas de celulosa. La velocidad de agitación y la temperatura ayudan a incrementar el rendimiento del proceso en gran medida; la velocidad de agitación permite eliminar la acumulación de sólidos e incrementa el contacto entre el sólido y el solvente, pero demasiada velocidad no permite que el solvente tenga tiempo para actuar en el sólido. La temperatura tiene gran incidencia en el incremento de concentración durante la extracción sólido líquido, porque a mayores temperaturas la solubilidad de la celulosa en el solvente (NaOH) es mayor, sin embargo temperaturas demasiado grandes llevan a la degradación de la celulosa y a la rápida evaporación del solvente durante la extracción. 

Neutralizado

La reducción de pH en la pasta resultante se debe a la intervención del agua que disuelve el NaOH presente en la fibra en diferentes ciclos de lavado. Por otra parte, esta operación también aclara la pasta por la eliminación de la lignina residual que otorga un color oscuro a la pasta. 

Blanqueado

El agente blanqueador (hipoclorito de sodio) tiene la característica de oxidar las sustancias que otorgan un color más oscuro a las fibras, en este caso decolora la lignina residual de la pasta. La concentración adecuada del agente blanqueador es aquella que oxida la mayor cantidad de lignina residual sin degradar la celulosa. 139 – 150



Laminado

El espesor final de la hoja se debe a la distribución de la pasta en el espacio entre los rodillos de la laminadora, más el espacio que deja el fieltro que cubre la pasta. A mayor espesor la rigidez del papel se incrementa y se reduce la flexibilidad, por lo tanto, el espesor óptimo es aquel que permite que el papel sea flexible y poco rígido. El laminado también tiene incidencia sobre el color de la hoja pues la fuerza ejercida por los rodillos provoca una redistribución del agente blanqueador haciendo un blanqueado adicional. 

Prensado

La humedad final de la hoja de papel se alcanza ejerciendo presión sobre la lamina de papel que permite una pérdida progresiva de la humedad hasta alcanzar la humedad final. El prensado también permite que no se produzcan deformaciones en el papel durante la pérdida de humedad por que las prensas mantienen rígido el producto y a las fibras cohesionadas. 3.9 DEMOSTRACIÓN DE LA HIPÓTESIS La demostración de la hipótesis para el proceso de obtención de papel a partir del raquis de banano se realiza de manera empírica por que se dispone del producto en forma física y tangible; teniendo en cuenta que las características del producto final pueden ser medidas y evaluadas por expertos en papel empleado en arte. 3.9.1 Prueba de Expertos Con esta prueba se busca determinar si el producto obtenido en el proceso experimental tiene la calidad de papel y si puede ser empleado en técnicas de arte. Mediante la opinión y calificación de personas que tengan experiencia suficiente para brindar su criterio y opinión acerca del producto obtenido. Aquellas personas a entrevistar deben estar relacionadas de manera directa con el trabajo en papel para arte, ya que de su experiencia pueden otorgar la calificación de cualidades y aplicaciones para el papel de raquis de banano. Los datos generales de las personas a las cuales se entrevistó se muestran a continuación: 140 – 150

TABLA 52: DATOS GENERALES DE LOS EXPERTOS Nombre

Profesión

Tiempo de Ejercicio Profesional

Lugar de Trabajo

Cargo

Franklin Molina Viza Juan Carlos Guzmán Rocha Marco Conde Cruz Roberto R. Montero Mariscal Guadalupe Guzmán Aguilar

Artista Plástico

19 años

Academia de Bellas Artes

Director

Artista Plástico

30 años

Academia de Bellas Artes

Docente de Serigrafía

Artista Plástico

25 años

Academia de Bellas Artes

Docente de Acuarela

Conservador

27 años

Ministerio de Culturas

Restaurador Conservador

Artista Plástico

20 años

Ministerio de Culturas

Conservadora

FUENTE: Elaboración propia

Para elaborar la entrevista se identificaron los siguientes atributos a ser evaluados en el papel de acuerdo con la técnica de arte que la persona seleccione:  Superficie  Textura  Flexibilidad  Uniformidad  Resistencia  Color La entrevista se realizo por medio de un cuestionario por que este permite registrar los datos de manera ordenada y facilita su posterior análisis estadístico para obtener un resultado cuantitativo. El cuestionario consta de 1 pregunta para identificar el uso más adecuado del producto, las siguientes dos para calificar los atributos del papel para la técnica seleccionada, las siguientes cuatro preguntas evalúan la calidad del papel y la última pregunta para establecer la ponderación de cada pregunta.

141 – 150

Para realizar la evaluación se estableció la siguiente escala de calificación: TABLA 53: ESCALA DE CALIFICACIÓN Calificación 1 2 3 4 5

Apreciación Pésimo Malo Regular Bueno Excelente

FUENTE: Elaboración propia

El cuestionario para el desarrollo de la entrevista se encuentra en el ANEXO X, y los resultados se observan a continuación: TABLA 54: SELECCIÓN DEL USO DEL PAPEL Expertos Dibujo Oleo Pastel Grabado Acuarela Franklin Molina Viza 5 Juan Carlos Guzmán Rocha 4 Marco Conde Cruz 3 Roberto R. Montero Mariscal 5 5 4 4 Guadalupe Guzmán Aguilar 4 3 Total 3,6 0 1 0,8 2 FUENTE: Elaboración propia

De acuerdo con los resultados de la TABLA 54 la puntuación más alta es para Dibujo al Carboncillo, por lo tanto, este es el uso más adecuado para el papel de raquis de banano

por la superficie que posee. Los resultados de la

calificación otorgada por los expertos a cada atributo cualitativo del papel obtenido se muestran en la siguiente tabla: TABLA 55: CALIFICACIÓN DE LOS ATRIBUTOS Atributo Superficie Textura Flexibilidad Uniformidad Resistencia Color

Calificación de Cada Experto 1 2 3 4 5 5 5 4 3 5 5 5 4 3 4 5 4 4 3 4 5 5 4 3 4 4 4 4 3 3 5 5 4 2 4

Promedio 4,4 4,2 4,0 4,2 3,6 4,0

FUENTE: Elaboración propia

La TABLA 55 muestra la calificación promedio de cada atributo, a partir del criterio de que todos los expertos tienen la misma ponderación para calificar el 142 – 150

papel obtenido. Los resultados muestran que el papel tiene una calificación de 4 en casi todos sus atributos; el atributo de menor puntuación es la resistencia. De acuerdo a la escala de calificación de la TABLA 53 el papel tiene una buena superficie, textura, uniformidad, flexibilidad y color; y es de regular a bueno en resistencia debido a que el papel posee fibras cortas. Para determinar si el papel obtenido es adecuado para ser usado en técnicas de arte es necesario otorgar una calificación general al papel, por lo tanto, la ponderación para cada atributo de acuerdo a la opinión de expertos se muestra en la siguiente tabla: TABLA 56: PONDERACIÓN DE LOS ATRIBUTOS Atributo Superficie Textura Flexibilidad Uniformidad Resistencia Color Total

Ponderación de Cada Experto 1 2 3 4 5 2 4 4 4 3 5 3 6 6 6 4 1 1 1 5 1 2 3 3 1 3 6 2 2 2 6 5 5 5 4

Frecuencia Frecuencia Relativa 17 0,16 26 0,25 12 0,11 10 0,10 15 0,14 25 0,24 105 1,00

FUENTE: Elaboración propia

Para determinar la puntuación de cada atributo se aplica la siguiente ecuación: Puntuación = Calificación Promedio x Frecuencia Relativa Las puntuaciones ponderadas de acuerdo a la importancia de cada atributo se observan a continuación en la siguiente tabla: TABLA 57: PUNTUACIÓN FINAL DEL PAPEL Atributo Superficie Textura Flexibilidad Uniformidad Resistencia Color Total

Calificación de Cada Experto 1 2 3 4 5 5 5 4 3 5 5 5 4 3 4 5 4 4 3 4 5 5 4 3 4 4 4 4 3 3 5 5 4 2 4

FUENTE: Elaboración propia

143 – 150

Promedio 4,4 4,2 4,0 4,2 3,6 4,0

Frecuencia Puntuación Relativa 0,16 0,71 0,25 1,04 0,11 0,46 0,10 0,40 0,14 0,51 0,24 0,95 1,00 4,08

De acuerdo con la TABLA 57 la puntuación total para el papel obtenido es de cuatro en la escala de calificación de la TABLA 53, esto comprueba que el papel de raquis de banano tiene una buena calidad para ser empleado como papel de arte en la técnica de dibujo al carboncillo. Análisis de Resultados: De acuerdo con los resultados obtenidos, en la medición de las características técnicas del producto obtenido se pudo determinar que el mismo es apto para ser usado como papel de arte y que tiene características muy similares al papel de dibujo y acuarela importado. El papel obtenido cumple con las características técnicas del papel Canson para dibujo y en menor medida para el papel para acuarela de la misma marca. Para corroborar la calidad del papel y su uso en técnicas de arte se recurrió a una entrevista a expertos para que realicen la calificación de los atributos que debe poseer un papel para arte. Como resultado de esta evaluación se determinó que el papel tiene una Buena calidad para ser empleado para dibujo al carboncillo.

144 – 150

La TABLA 58 muestra los valores, registrados durante la investigación, de todos los indicadores: TABLA 58: DEMOSTRACIÓN DE LA HIPÓTESIS VARIABLES

SUB VARIABLES

DIMENSIÓN Descortezado Trozado Triturado

Operaciones Físicas

Tamizado Laminado

Prensado

Variable Independiente

Operaciones Químicas

Operaciones de Transferencia de Masa

Neutralizado

Extracción sólido líquido

Blanqueado Secado

INDICADORES Peso de la corteza Tamaño de trozos Tamaño de partícula Numero de tamiz Espesor de la hoja Tiempo de prensado Humedad del producto terminado

Tiempo de extracción del sólido Temperatura Concentración del solvente Relación solvente alimentación Velocidad de agitación Concentración del agente blanqueador Humedad de equilibrio

Gramaje Papel

Especificaciones técnicas

16 g/unid de pinzote 2 cm de largo 0,362 mm 40 mesh – 50 mesh 0,18 mm 14 hrs 24%

pH del producto final

Tipo de Papel Variable Dependiente

VALORES

Espesor Blancura Carteo

7,23 2:05 horas 60°C 3,7% en peso 20/1 600 rpm 3,7% en volumen 8% Papel de Pinzote 2 245 g/m 0,20 mm Amarillo Arena 3,75

CANSON 180 – 300g/m

0,16–0,35 mm Blanco 2,6

FUENTE: Elaboración propia

Conclusiones de la Demostración de la Hipótesis: A partir de los resultados expuestos se demuestra que un proceso físico y de transferencia de masa permite obtener papel para dibujo al carboncillo a partir de los residuos de la cosecha del banano. 145 – 150

2

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1 CONCLUSIONES 

Se determinó que el pinzote de banano es un residuo que se genera en la actividad de cosecha y comercialización del banano, actualmente, este residuo no tienen utilidad, ni valor alguno, se desechan 1598 unidades de pinzote en los mercados de la cuidad de La Paz, de los cuales 1423 pertenecen a la especie Musa Acuminata.



A través de estudios morfológicos y químicos se determinaron las características del pinzote de banano, este posee una delgada corteza y fibras constituidas por haces fibrovasculares o fibrillas cortas de celulosa que contienen una elevada cantidad de humedad. También se determinó que la especie Musa Acuminata tiene mayor cantidad de celulosa en su composición, por lo tanto, fue seleccionada para la obtención de pasta celulósica.



Mediante pruebas exploratorias se comprobó la posibilidad de obtener pasta de celulosa a partir del pinzote de banano aunque la calidad de la pasta era deficiente para la elaboración de papel a un inicio, los resultados de las pruebas exploratorias ayudaron a identificar las 11 operaciones, que se desarrollaron para la experimentación, y el rango de valores para las variables del proceso experimental.



Después de 110 pruebas experimentales, empleando un proceso de transformación constituido por operaciones físicas, químicas y de transferencia de masa, se logró obtener pasta de celulosa y posteriormente papel a partir del pinzote de banano.



La curva patrón para celulosa identifica el rendimiento en la extracción sólido líquido, por lo tanto, esta puede ser utilizada como método de control cuantitativo para la obtención de celulosa.

146 – 150



Se comprobó que el pinzote de banano sufre transformaciones físicas y químicas durante el proceso experimental en las etapas de preparación de la materia prima, obtención de la pulpa, acondicionamiento de la misma y formación del papel.



Mediante la identificación de las especificaciones técnicas y la comparación del producto obtenido con un papel importado de similares características, se estableció que el papel a partir del pinzote de banano reúne las cualidades para ser empleado como papel de arte.



La prueba de expertos demostró el producto obtenido tiene una buena calidad para ser empleado como papel de arte para dibujo al carboncillo.



Se logró el objetivo general de la investigación; determinar el proceso experimental

constituido

por

operaciones

físicas,

químicas

y

de

transferencia de masa para obtener papel a partir de los residuos de la cosecha del banano.

4.2 RECOMENDACIONES 

Se recomienda al Gobierno Municipal de La Paz

realizar un plan de

recolección del pinzote de banano para proveer a las empresas productoras de papel que deseen realizar la obtención de celulosa virgen. 

Se recomienda realizar el diseño del proceso a nivel planta piloto para la producción de papel de dibujo al carboncillo a partir del pinzote de banano.



Se recomienda a la Escuela Militar de Ingeniería realizar investigaciones acerca de la obtención de papel a partir de materias primas alternativas de características semi leñosas y no leñosas.



Se recomienda a los investigadores realizar variaciones en el proceso experimental para obtener papel destinado a otras aplicaciones.

147 – 150

BIBLIOGRAFÍA 1. ALONZO García, Conceptos de organización industrial, Ed. Productica, España, sin año. 2. ALVARES Blanco y ZARAGOZAN Carbonell, Química industrial, Ed. UPV, España, 1995. 3. AUSTIN George, Manual de procesos químicos en la industria, Primera Edición, Ed. Mac Graw Hill, México, 1992. 4. CEAC, WAcuarela/ Watercolor: Curso De Dibujo Y Pintura, Ed. CEAC, Barcelona España, 2006. 5. COULSON J.M, Ingeniería química: operaciones unitarias básicas, Ed. Reverté, Barcelona, 2005. 6. FAGIANI María Julia, Estación Experimental de Cultivos Tropicales – INTA, sin editorial, Jujuy, 2001. 7. FARGIN John, Revista Información Tecnológica, volumen 10, Ed. Valderrama, sin lugar, 2001. 8. GONZALES Herrera, Contaminación por basura, Sin editorial, México, 2007. 9. GROOVER, Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas, Primera edición, Ed. Prentice Hall, México, 1997. 10. HANS Beyer, WOLFGANG Walter, Manual de Química Orgánica, Décima edición Editorial Mac Graw Hill, México, 1987. 11. HERNÁNDEZ Rubén, Botanical Book, Tercera edición, México, sin editorial, 2001. 12. Inst. Interamericano de Cooperación para la Agricultura, Compendio de Agronomía Tropical Tomo I, Ed. IICA, Costa Rica, 1981. 13. JURAN J.M, FRANK M Gryna y BINGHAM R.S, Manual de control de la calidad, Volumen I, Segunda edición, Ed. Reverté, España, 2005. 14. LEON Jorge, Fundamentos Botánicos de los Cultivos Tropicales, Tomo II, Ed. IICA, Costa Rica, 1989. 15. LOPEZ José, Diseños Experimentales: Planificación y Análisis, sin editorial, sin año, 1993. 16. MALLOL Katia, Papeles rústicos y Artesanales, Ed. Magisterio, Bogota Colombia, 2004.

148 – 150

17. MANSON Harris, Instituto Interamericano de Ciencias Agrícolas, sin editorial, Colombia, 1980. 18. MCCABE Warren, SMITH Julian, Operaciones básicas de ingeniería química, Ed. Reverté, Barcelona España, 2001. 19. MONTALVO Mercedes, Viaje a la Habana, Ed. Stockcero, Estados Unidos, 2008. 20. MAYER Ralph, Materiales y técnicas de arte, Quina edición, Ed. Tursen, Madrid España, 1993. 21. OROZCO, Martha. Operaciones unitarias, Ed. Limusa, México, 1998. 22. ROCHA Fredy, Adecuación tecnológica para la obtención de pulpa de papel a partir de los residuos de la cosecha de cereales, Tesis Lic. Ing. Ind., Escuela Militar de Ingeniería; 2002. 23. RODRÍGUEZ Córdova, Economía y recursos naturales, Ed. UAB, España, 2006. 24. ROSALES, BALCAZAR Y POCASANGRE, Producción y comercialización de banano orgánico de región de Alto Beni, Ed. INIBAP, Bolivia, 2004. 25. RUSSELL Brown, La situación del mundo 2000: Informe del Worldwatch Institute, Ed. Icaria, Barcelona, 2001. 26. SCHNEIDER Wilhelm, Manual práctico de dibujo técnico, Tercera edición, Ed. Reverté, Barcelona España, 2007. 27. SEOANEZ Calvo, Manual de tratamiento, reciclado, aprovechamiento y gestión de aguas, Ed. Mundi Prensa, España, 2002. 28. ORIA Solano, Prácticas de laboratorio de química orgánica, Ed. Universidad de Murcia, 1991. 29. TURRADO José, Pinzote como Fuente de Fibras para Papel, sin editorial, sin lugar, 2001. 30. TREYBAL Robert, Operaciones de Transferencia de Masa, segunda edición, Ed. Mc GrawHill, México, 1991. 31. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO, Artes plásticas, Ed. Universidad estatal, San José Costa Rica, 2005. FUENTES DE CONSULTA 1. CARDONA Alzate, Universidad Nacional de Colombia, Periódico UN, 2. Centro de Información y Gestión Tecnológica, 149 – 150

3. Definiciones y Traducciones, recuperado el 14 de Febrero del 2011, 4. GARZA papel, 5. NORMA NB ISO 2493 6. NORMA NB 505 7. NORMA NB 508 – 84 8. NORMA NB 11775 9. ODOR Alejandra, Elaboración de Papel Industrial, sin http://www.adabi-ac.org/ccre/descargas/art10_industrial.pdf>

año,

<

10. Organic Waste, 11. Papel para oleo y acrílico, 12. Papel para pastel, 13. Papel para tinta china, < http://www.todoart.com/papeles.htm> 14. POCHTECA, http://www.pochteca.com.mx/ 15. Revista del PRIMER TALLER DE CADENAS PRODUCTIVAS: ACUERDOS DE COMPETITIVIDAD DE LA CADENA DEL BANANO, Cochabamba, 2002. 16. Revista electrónica Industria Bolivia, 17. ROCA Marcelo, SECADO DE PAPEL, 18. Sociedad Española de Ciencias Fisiológicas, 19. Unión de Industriales

Litográficos,

20. Universidad del País Vasco, Artículo Científico Reacciones Acido Base, 21. ZEGARRA Justiniano, Manual para la Elaboración de Trabajos de Grado nivel Licenciatura, Bolivia.

150 – 150

ANEXO I: CRONOGRAMA DE TRABAJO EN LABORATORIO

I

ANEXO II: RESULTADOS DEL TIEMPO DE SECADO PARA EL PINZOTE DE BANANO

TIEMPO [min] PESO [g] HUMEDAD [%] 0,00

94,50

93,439

1,00

88,30

83,915

2,00

79,30

76,614

3,00

72,40

68,466

4,00

64,70

60,529

5,00

57,20

52,275

6,00

49,40

44,868

7,00

42,40

37,884

8,00

35,80

30,476

9,00

28,80

23,069

10,00

21,80

15,873

11,00

15,00

12,593

11,67

11,90

10,688

12,17

10,10

9,947

12,50

9,40

9,312

12,83

8,80

8,995

13,17

8,50

8,783

13,50

8,30

8,677

13,83

8,20

8,571

14,17

8,10

8,571

14,50

8,10

8,466

14,83

8,00

8,466

15,17

8,00

8,466

15,50

8,00

8,466

15,83

8,00

8,470

FUENTE: Elaboración propia

II

ANEXO III: DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE CELULOSA POR ESPECTROFOTOMETRÍA UV - VIS Una vez finalizada la extracción sólido líquido se procede a preparar la muestra para realizar las lecturas en el espectrofotómetro y de esta manera determinar la concentración de celulosa resultante de la extracción en las condiciones de operación que se desena evaluar. El procedimiento para la preparación de las muestras se describe a continuación:

1. Preparar el blanco o punto cero para calibrar el espectrofotómetro mediante una solución de NaOH en agua desionizada con la misma concentración a la que se encuentran las muestras de la extracción.

2. Tomar 2,5 ml del blanco mediante una micropipeta para verter este volumen en una cubeta de cuarzo del espectrofotómetro.

3. Calibrar el espectofotometro con el blanco a una longitud de onda de 457 nm para iniciar las lecturas de las muestras de las extracciones.

4. Verter la solución resultante de la extracción en un vaso de precipitado limpio y seco por medio de un filtro de polietileno de 100 mesh de abertura.

5. Extraer 2,5 ml del extracto por medio de una micropipeta para verter este volumen en la cubeta de cuarzo del espectrofotómetro.

6. Identificar el rango de longitud de onda en el que se encuentra la muestra, en este caso es de 457 nm para celulosa.

7. Mediante el espectrofotómetro se observa la absorbancia para cada muestra, y mediante la recta de calibración se determina la concentración para cada una.

III

ANEXO IV: RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE EQUILIBRIO TEMPERATURA AMBIENTE Tiempo [min] Absorbancia Concentración [%] 0:00

0

0,000

0%

0:15

15

0,115

8%

0:30

30

0,194

12%

0:45

45

0,281

17%

1:04

64

0,338

20%

1:18

78

0,374

22%

1:30

90

0,403

24%

1:55

115

0,454

27%

2:10

130

0,475

28%

2:25

145

0,490

29%

2:40

160

0,487

29%

2:55

175

0,490

29%

TEMPERATURA 40°C Tiempo [min] Absorbancia Concentración [%] 0:00

0

0,000

0%

0:15

15

0,122

8%

0:30

30

0,219

14%

0:45

45

0,304

18%

1:00

60

0,360

22%

1:15

75

0,392

23%

1:30

90

0,440

26%

1:45

105

0,472

28%

2:00

120

0,504

30%

2:15

135

0,530

31%

2:30

150

0,538

32%

2:45

165

0,536

31%

3:00

180

0,536

31%

IV

TEMPERATURA 60°C Tiempo [min] Absorbancia Concentración [%] 0:00

0

0,000

0%

0:15

15

0,132

9%

0:38

38

0,292

18%

0:45

45

0,336

20%

1:00

60

0,396

24%

1:15

75

0,446

26%

1:30

90

0,484

29%

1:45

105

0,517

30%

2:00

120

0,556

33%

2:17

137

0,573

34%

2:30

150

0,578

34%

2:48

167

0,572

33%

3:00

180

0,578

34%

TEMPERATURA 80°C Tiempo [min] Absorbancia Concentración [%] 0:00

0

0,000

0%

0:15

15

0,151

10%

0:30

30

0,259

16%

0:45

45

0,360

22%

1:00

60

0,418

25%

1:15

75

0,468

28%

1:30

90

0,512

30%

1:45

105

0,558

33%

2:00

120

0,598

35%

2:15

135

0,621

36%

2:30

150

0,641

37%

2:45

165

0,655

38%

3:00

180

0,677

39%

3:15

195

0,698

41%

V

ANEXO V: RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE NEUTRALIZADO

VOLUMEN DE pH DEL AGUA AGUA [ml] RESIDUAL 250

12,38

500

11,90

750

10,87

1000

9,99

1250

9,62

1500

9,36

1750

9,09

2000

9,01

2250

8,88

2500

8,74

2750

8,14

3000

7,89

3250

7,67

3500

7,32

3750

7,23

FUENTE: Elaboración propia

VI

ANEXO VI: RESULTADOS DE LA PRUEBA DE SECADO DEL PAPEL POR PRENSADO EN FRIO

TIEMPO [hrs] PESO [g] HUMEDAD [%] 0:00

5,40

65,56

2:00

5,23

64,44

4:00

4,96

62,50

6:00

4,62

59,74

8:00

3,98

53,27

9:00

3,46

46,24

10:00

3,07

39,41

11:00

2,75

32,36

12:00

2,56

27,11

13:00

1,86

25,03

14:00

1,86

24,03

15:00

1,86

24,03

FUENTE: Elaboración propia

VII

ANEXO VII: PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR LA HUMEDAD DEL PAPEL El siguiente procedimiento permite determinar la humedad del papel basado en la norma NB 508 – 84: -

Se coloca la probeta en la estufa a una temperatura de 105°C ± 3°C

-

Cuando se estima que la probeta111 está completamente seca, se envasa inmediatamente el recipiente y se deja enfriar en el desecador. El periodo inicial de secado no debe ser en ningún caso menor de 30 minutos.

-

Se iguala la presión interior del recipiente con la atmosférica abriendo momentáneamente el recipiente. Se pasa el recipiente con su contenido, y se determina el peso de las probetas por diferencia.

-

Se repiten las operaciones empleando periodos de secado iguales a la mitad de la sumatoria de los que precedieran hasta peso constante, se considera constante cuando dos pesadas consecutivas no tienen un diferencia mayor 0.1%.

El porcentaje de humedad se calcula con la formula siguiente: H=

G−Gs G

∗ 100

(3)

Donde: H = humedad referida al peso inicial en % G = el peso de la probeta, antes de iniciar el ensayo, en g. Gs = el peso de la probeta después del ensayo, en g. El resultado se expresa con una cifra decimal. En los casos que se prefiere expresar el resultado como humedad referida al peso final de la muestra después de su secado, el resultado es el porcentaje de humedad a peso seco.112

111 112

Muestra de material en la cual se realizara la prueba Norma NB 508-84, pp. 3 - 4.

VIII

ANEXO VIII: TABLA DE COLORES RAL El código RAL define un color mediante un código numérico. Fue definido por el Deutsches Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung en Alemania en 1927. RAL significa Reichsausschuß für Lieferbedingungen. La tabla de colores RAL permitirá definir los diferentes tonos de colores que se obtienen en las pruebas de blanqueado, a continuación se muestran los tonos de la tabla RAL que se asemejan a los colores de la pasta resultante:

RAL 9001 Blanco crema

RAL 1002 Amarillo arena

RAL 1014 Marfil

RAL 1016 Marfil claro

RAL 1018 Marfil oscuro

RAL 1024 Café claro

RAL 8001 Café Oscuro

RAL 8023 Marrón anaranjado

IX

ANEXO IX: RESULTADOS DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL PAPEL OBTENIDO No de Probeta

Peso [g]

Gramaje [g/m2]

1

0,130

260

2

0,123

246

3

0,126

252

4

0,125

250

5

0,118

236

6

0,119

238

7

0,121

242

8

0,117

234

9

0,121

242

10

0,123

246

TOTAL

0,122

245

No de Probeta

pH

Espesor [mm]

1

7,36

0,21

2

7,28

0,18

3

7,20

0,20

4

7,16

0,18

5

7,18

0,21

6

7,31

0,21

7

7,23

0,18

8

7,27

0,21

9

7,28

0,20

10

7,15

0,22

TOTAL

7,24

0,20

X

ANEXO X: ENCUESTA RESPECTO A LA CALIDAD ELABORADO A PARTIR DEL PINZOTE DEL BANANO

DEL PAPEL

NOMBRE: ____________________________________________________________________________ PROFESIÓN: _______________________________TIEMPO DE EJERCICIO PROFESIONAL: _____________ LUGAR DE TRABAJO: ______________________________________CARGO:_______________________ Rango de calificación: 1. Pésimo 1.

5. Excelente

Oleo

Pastel

Grabado

Acuarela

Mala

Regular

Buena

Excelente

¿Cuál es su opinión acerca de la textura del papel para emplear la técnica que selecciono?

Pesima 4.

4. Bueno

¿Cuál es su opinión acerca de la superficie del papel para emplear la técnica que selecciono?

Pesima 3.

3. Regular

¿Para qué técnica de arte emplearía usted el papel elaborado a partir del raquis de banano?

Dibujo 2.

2. Medio

Mala

Regular

Buena

Excelente

En una escala del 1 al 5 que calificación da usted a la flexibilidad del papel

R. 5.

En una escala del 1 al 5 que calificación da usted a la uniformidad del papel

R. 6.

En una escala del 1 al 5 que calificación da usted a la resistencia a del papel

R. 7.

En una escala del 1 al 5 que calificación da usted al color del papel

R. 8. ¿Qué características considera que son más importantes para un papel de arte? Ordénelas del 1 al 7, siendo 1 muy importantes y 7 nada importante.

•Color

•Superficie

•Resistencia

•Textura

•Flexibilidad

•Uniformidad

XI