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DOI: https://doi.org/10.26507/paper.2920 Biorrefinería a partir de los residuos agroindustriales del plátano: Un acercamiento a la economía circular en el departamento de Santander Nelfa Patricia Díaz Prada Universidad Nacional Abierta y a Distancia Bucaramanga, Colombia Resumen La agroindustria del plátano genera toneladas de residuos orgánicos debido a que es una planta de una sola cosecha donde actualmente solo el fruto es comercialmente aprovechable y represen- ta solo del 10% al 20% de la biomasa total generada y el resto corresponde a la cáscara, el tallo, raíces, raquis, hojas y demás partes que son desechadas y se caracterizan por su elevado contenido en polímeros naturales o biopolímeros tales como celulosa, hemicelulosa, y lignina los cuales presentan elevadas tasas de humedad lo que conlleva a la generación de alta biodegra- dabilidad y biocompatibilidad. El uso de biopolímeros obtenidos de fuentes renovables y naturales en el desarrollo de nuevas tecnologías ha mostrado un crecimiento acelerado en los últimos diez años, debido a que es una estrategia sostenible de aprovechamiento de los subproductos de la actividad agrícola como ma- teria prima para la obtención de polímeros naturales, con el fin de minimizar el impacto ambien- tal causado por la acumulación de estos residuos y su vez generar un valor agregado a estos residuos orgánicos. Por lo anterior, en esta investigación se propone desarrollar una estrategia de valorización de los residuos del plátano para la elaboración de empaques biodegradables utili- zando estos residuos agroindustriales con el fin de disminuir la huella de carbono aplicando los principios de la biorrefinería, destacando su uso en la fabricación de biopelículas con propieda- des de barrera mejoradas. El procedimiento iniciará con la recolección de la biomasa para realizar el acondicionamiento de la muestra y la caracterización, posteriormente se plantearán las formulaciones de biomateriales https://doi.org/10.26507/paper.2920 Biorrefinería a partir de los residuos agroindustriales del plátano: Un acercamiento a la economía circular en el departamento de Santander 2 para ser empleados como materia prima para la elaboración de empaques funcionales y final- mente realizar el análisis de resultados. El impacto que se busca con esta propuesta es plantear alternativas sostenibles para disminuir el uso de empaques de dura degradabilidad y compostaje, generando valor agregado con un resi- duo actualmente contaminante proveniente de la agroindustria del plátano contribuyendo al me- joramiento del medio ambiente desde la perspectiva que brinda la economía circular en la región santandereana. Palabras clave: sostenibilidad; biorrefinerías; biopolímeros Abstract The banana agroindustry generates tons of organic waste because it is a single harvest plant whe- re currently only the fruit is commercially usable and represents only 10% to 20% of the total bio- mass generated and the rest corresponds to the peel, stem, roots, rachis, leaves and other parts that are discarded and are characterized by their high content of natural polymers or biopolymers such as cellulose, hemicellulose, and lignin, These are characterized by their high content of natu- ral polymers or biopolymers such as cellulose, hemicellulose, and lignin, which have high moisture content, leading to high biodegradability and biocompatibility. The use of biopolymers obtained from renewable and natural sources in the development of new technologies has shown an accelerated growth in the last ten years, because it is a sustainable strategy for the use of agricultural by-products as raw material to obtain natural polymers, in order to minimize the environmental impact caused by the accumulation of these wastes and in turn ge- nerate an added value to these organic wastes. Therefore, this research proposes to develop a strategy for the valorization of banana residues to produce biodegradable packaging using these agroindustrial residues in order to reduce the carbon footprint by applying the principles of biore- finery, highlighting its use in the manufacture of biofilms with improved barrier properties. The procedure will start with the collection of biomass for sample conditioning and characterizati- on, followed by the formulation of biomaterials to be used as raw material for the elaboration of functional packaging and finally the analysis of results. The impact sought with this proposal is to propose sustainable alternatives to reduce the use of packaging of hard degradability and composting, generating added value with a currently pollu- ting waste from the banana agroindustry, contributing to the improvement of the environment from the perspective provided by the circular economy in the Santander region. Keywords: sustainability; biorefineries; biopolymers Biorrefinería a partir de los residuos agroindustriales del plátano: Un acercamiento a la economía circular en el departamento de Santander 3 1. Introducción Según la FAO (Organización de las naciones unidas para la Agricultura y la Alimentación) cada año aproximadamente 1300 millones de toneladas de alimentos son desperdiciados en el mun- do, y en este grupo se incluyen residuos domésticos, comerciales y agrícolas los cuales constitu- yen un tercio de los alimentos producidos para el consumo humano, razón por la cual la valori- zación del desperdicio de alimentos a través de la producción de productos de valor agregado es considerada ideal y práctica (Tsang, 2019). En el afán de los gobiernos por hallar alternativas de solución para estos problemas de contami- nación ambiental que están generando efectos adversos en el cambio climático, se busca a través de varios mecanismos como las políticas públicas de las naciones llevar a los individuos a una toma de consciencia sobre la necesidad de minimizar el desperdicio generado y cambiar el mo- delo económico lineal actual -en donde las cosas se usan y se desechan- por un modelo de eco- nomía circular como modelo de desarrollo sostenible donde se busca generar el mínimo de resi- duos estableciendo un ciclo de desarrollo positivo y continuo que conserva y enriquece el capital natural, optimizando el rendimiento de los recursos y reduciendo los riesgos del sistema mediante la gestión de existencias finitas y flujos renovables. (Acar, 2019) nos muestra que al aplicar circu- laridad a los procesos en este caso agroalimentarios se pueden brindar alternativas que no solo mitiguen el cambio climático sino que a su vez generen un valor agregado a diferentes comuni- dades. Los efectos del cambio climático, que cada día son más evidentes han concientizado a las naciones sobre la cantidad de desechos que se envían permanentemente a los vertederos y el agotamiento de los recursos naturales dando lugar a generar un mayor enfoque en el reciclaje, la reutilización de artefactos (como las bolsas de compras y los vasos) y el diseño de productos pa- ra devolución y restauración en lugar de eliminación (Campana, 2021). Actualmente el departamento de Santander presenta un grave problema ambiental debido a que la disposición final de basuras de la ciudad de Bucaramanga y de 15 municipios santandereanos se ha venido llevando al sitio denominado “El Carrasco” que ha sido declarado en emergencia sanitaria en varias ocasiones como consecuencia de la mala operación del mismo, el cual lleva un sistema de botadero de basura a cielo abierto afectando con ello fuentes hídricas y medio ambiente en general debido a que este sistema no es sostenible, llevándolo al cierre en agosto del 2021 generando así una crisis sanitaria, y que para lograr su habilitación temporal la Alcal- día de Bucaramanga ha venido decretando una serie de emergencias sanitarias con el fin de mantenerlo abierto (Diario Criterio, 2021). Lo anterior muestra que, a pesar de los esfuerzos realizados por la administración públicapara encontrar alternativas de solución, éstas no serán sostenibles mientras no se disminuya la carga de residuos que llegan a estos vertederos y así mismo se adopten en la región principios de eco- nomía circular, “donde los residuos que se generen también tengan su reutilización, (Unab Radio, 2022). Con base en lo anterior y basados en los datos sobre los residuos producidos por la agroindus- tria de plátano, (uno de los alimentos más consumidos en la región santandereana), se ha deter- minado trabajar con este desecho aplicando los principios de la biorrefinería para generar alter- Biorrefinería a partir de los residuos agroindustriales del plátano: Un acercamiento a la economía circular en el departamento de Santander 4 nativas de solución que contribuyan al desarrollo de la región santandereana, utilizando estos residuos para la generación de prototipos de productos sostenibles bajo el marco de la economía circular. 2. Objetivo Llevar a cabo el proceso de transformación de la biomasa del plátano bajo el concepto de biorre- finería para convertirlo en productos funcionales sostenibles en el marco de la economía circular apuntando a los objetivos de desarrollo sostenible números 3 (Salud y bienestar), 11 (ciudades y comunidades sostenibles), 12 (Producción y Consumo Responsable) 13 (Acción por el Clima). 3. Métodos El presente es un estudio no experimental de tipo mixto donde se aplica el concepto de biorrefi- nería para la obtención de productos funcionales derivados de los subproductos de la agroindus- tria del plátano, tomando como base los resultados de investigación obtenidos en un proyecto de emprendimiento de la misma autora ejecutado durante el segundo semestre del año 2022 en las instalaciones de Tecnoparque nodo Bucaramanga del Servicio Nacional de Aprendizaje SENA y las técnicas empleadas para la elaboración de los subproductos fueron realizados gracias a la orientación y acompañamiento recibido en las instalaciones de Tecnoparque nodo Bucaramanga. El proyecto parte del concepto de biorrefinería como la búsqueda de un procesamiento sustenta- ble del material orgánico que en este caso se trata del generado por la agroindustria del plátano llamado biomasa que usualmente es considerado como un residuo orgánico para ser utilizado en la producción de subproductos biodegradables de manera sostenible. A continuación, se descri- be el concepto y la tipología de biorrefinerías y posteriormente se describe la técnica empleada para la elaboración de subproductos. Concepto de Biorrefinería: Según definición adoptada por el Departamento de Productos Forestales del Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria de España INIA (Villar, 2013) la biorrefinería se define como “aquellos procesos mecánicos, térmicos, químicos o bioquímicos de biomasa en los cuales esa materia prima se transforma para dar lugar a una amplia variedad de productos: energía, biocombustibles, biopolímeros y productos químicos de base a partir de los que se pro- ducirían otros más complejos” (Vergara, 2019) Biorrefinerías de primera, segunda y tercera generación: Las biorrefinerías de primera generación buscan materias primas concentradas en una sustancia como las plantas de biocombustible a partir de la palma, caña de azúcar, etc., estas biorrefine- rías tiene poca diversificación, generan problemas de monocultivos que empobrecen los suelos y se producen a base de alimentos los cuales pueden competir con materias primas alimentarias. Biorrefinería a partir de los residuos agroindustriales del plátano: Un acercamiento a la economía circular en el departamento de Santander 5 Las biorrefinerías de segunda generación en la que se fraccionan para aprovechamiento los tres componentes de la biomasa que son la celulosa, la hemicelulosa y la lignina, en estas no existe competencia con materias primas alimentarias. Por último, están las de tercera generación es la más eficiente de las tres brindan la posibilidad de utilizar casi cualquier residuo orgánico buscando generar una producción de una forma lim- pia de energía, en esta categoría se trabajan procesos más complejos como la “Pirólisis, gasifi- cación o combustión para obtener el aprovechamiento de estos residuos y de esa forma obtener energía y otros productos químicos” (López, 2020) Para el presente proyecto elaboraremos bio-empaques partiendo del concepto de la Bioeconomía circular la cual para su sostenibilidad se produce por la unión de dos conceptos: la economía circular y la bioeconomía. Economía Circular: Sistema sostenible que mantiene el valor económico de los recursos el mayor tiempo posible disminuyendo al máximo la cantidad de residuos (Sánchez, 2020). Bioeconomía: Alternativa para la producción, utilización inteligente y conservación de recursos biológicos renovables y la conversión de estos, en productos con valor agregado, como alimen- tos, bio-productos, biomateriales y bioenergía para potenciar políticas de desarrollo agrícola y rural con un enfoque sostenible (ONU, 2017). Técnicas aplicadas para la obtención de subproductos En la gráfica relacionada a continuación se muestra el esquema general aplicando del concepto de la biorrefinería aplicada en la propuesta. En ella se pueden observar las tres fases que com- ponen el flujo del proceso para llegar a la obtención de productos intermedios y finales (IEEE, 2018). Biorrefinería a partir de los residuos agroindustriales del plátano: Un acercamiento a la economía circular en el departamento de Santander 6 Figura 1. Biorrefinería con los procesos aplicados en el proyecto. Adaptado de (López, Juan Carlos, 2020) A continuación, se describen en detalle los pasos que se realizan en cada una de las tres fases: Fase 1 Pretratamiento En esta fase se realiza el pretratamiento y la adecuación de la biomasa para su procesamiento, a su vez lleva los siguientes pasos: Figura 2 Flujograma del proceso de pretratamiento de la biomasa -Recolección: Se recolectaron raquis de plátano (Musa Paradisiaca) proveniente del Centro de Atención al Sector Agropecuario sede Aguascalientes del municipio del Playón. -Limpieza y desinfección: Se realizó la limpieza de los raquis sumergiéndolas en abundante agua y vinagre blanco por 10 minutos, luego se enjuagó. Recolección Limpieza y desinfección Pelado Troceado DeshidrataciónTamizadoEnvasado Biorrefinería a partir de los residuos agroindustriales del plátano: Un acercamiento a la economía circular en el departamento de Santander 7 -Pelado: con ayuda de un cuchillo se realizó el raspado de la parte superficial del raquis. -Troceado: Se realizaron cortes finos de 3 cm de largo por 1mm de ancho y se sumergieron en ácido cítrico al 2,5% para neutralizar la oxidación. -Deshidratación: Se colocan en capas finas ubicadas en bandejas en el deshidratador a una tem- peratura de 50°C por un tiempo de 24 horas. -Tamizado: Una vez esté el producto deshidratado se tamiza para homogenizar la mezcla, para este proceso se utilizó un molinillo de corte marca MRC Laboratory-Instruments utilizando una malla de 40 tamices de 0.422 mm. -Almacenamiento: El producto se almacena en recipientes herméticamente cerrados y se deben conservar en un lugar fresco. Fase 2 Producción de Biomateriales Los biopolímeros obtenidos a partir del aprovechamiento de los subproductos del plátano se apli- can para la elaboración de bio-empaques como alternativa para disminuir la contaminación am- biental generada por el no aprovechamiento de estos residuos orgánicos (UDEA, 2020). En esta fase se aplican los diferentes bioprocesos que llevan a la obtención de biomateriales como los relacionados a continuación: *Bio-pegamento: Este biomaterial se obtiene con harina de plátano proveniente de las cáscaras del plátano y partes desechadas por los cortes, se realiza el mismo procedimiento de la biomasa indicado en la fase 1.Figura 3 Flujograma del proceso de biopegamento *Bio-papel: Este biomaterial se obtiene partiendo del procedimiento relacionado en la fase uno en cuatro fases que son refinamiento, formación de pasta de papel, prensado y secado. Biorrefinería a partir de los residuos agroindustriales del plátano: Un acercamiento a la economía circular en el departamento de Santander 8 Figura 4 Bio-proceso de obtención de biopapel *Bio-pigmentos: Este biomaterial se obtiene en color amarillo claro y café de las cáscaras, raquis, pseudotallo y restos de fruto los cuales sirven como colorante alimentario y también para pigmen- tar los artículos derivados de los biomateriales. Para el amarillo claro realizamos una adición de cúrcuma para darle más estabilidad al color. Figura 5 Flujograma del proceso de biopigmentos *Bio-plástico: Este biomaterial se obtiene de la cáscara del plátano siguiendo los cuatro primeros pasos de la fase 1 en dos pasos Figura 6 Flujograma del proceso de bioplástico Fase 3 Aplicaciones de los Biomateriales obtenidos Los problemas derivados del cambio climático han propiciado en los seres humanos una toma de conciencia sobre las formas de vivir e interactuar con nuestro entorno añadiendo nuevas dimen- siones de inteligencia, conectividad e interactividad (Ferraro, 2022), esto ha llevado a los profe- sionales a investigar de forma integral nuevas formas de producir y moldear productos y servicios para facilitar la integración de nuevos biomateriales basados en la creatividad, la innovación y la sostenibilidad. (Vega, 2019). Refinamiento •Cocción fibras obtenidas fase 1 •Se adiciona el NaOH y se homogeniza Formación •La pasta refinada pasa a una tina de agua •El colador con malla se introduce y se extrae horizontalmente. •Se escurre y se distribuya la pasta de forma uniforme. Prensado •Luego de escurrida se prensa la pasta Secado •Se ponen a secar las hojas sobre un tendedero para airearlas o se secan al sol para blanquearlas. Biorrefinería a partir de los residuos agroindustriales del plátano: Un acercamiento a la economía circular en el departamento de Santander 9 Según (Rognoli, 2022), se estima que el 80% del impacto ambiental de un producto es determi- nado en la fase de diseño, por lo que el diseño del producto es el que confiere la mayor respon- sabilidad ambiental para enfocarse hacia una economía más sostenible y circular. Por esta razón en esta fase se realizó el prototipado de dos empaques funcionales para alimentos deshidratados y chocolatería aplicando los principios del ecodiseño en donde el ciclo de vida de un producto se asemeja al ciclo de vida de una planta y emplearemos los bio-productos obtenidos durante la fase dos para el diseño de un empaque. Figura 7 Flujograma del proceso de ecodiseño. Tomado de (Guimaraes, 2021) En el presente trabajo se realizó un empaque para un producto de chocolatería utilizando los bio- productos obtenidos en la fase 2. 4. Resultados y Avances En el presente trabajo se desarrollaron dos prototipos de bio-empaques uno en forma de bolsa y otro en forma de caja para frutos secos, frutas deshidratadas o productos de chocolatería. Ac- tualmente se están realizando nuevas formulaciones para mejorar las condiciones de los biomate- riales para diseñar empaques a la medida del usuario final. 5. Conclusiones En el presente trabajo se realizaron dos prototipos de bio-empaques que pueden ser utilizados en el empaque de frutos secos, frutas deshidratadas o productos de chocolatería: el primero tipo bolsa y el otro tipo caja con la misma resistencia que un empaque tradicional de papel Kraft para la bolsa y cartón para la caja, a través del proceso de biorrefinería generando un proceso soste- nible y ecológico el cual reduce significativamente la huella de carbono evidenciando que los procesos de biorrefinerías crean alternativas de oportunidades de desarrollo y generación de emprendimientos en el la región Santandereana o en cualquier región no solo para la producción de bio-empaques, sino también biocombustibles, bio-cosméticos, insumos de la industria alimenta- ria, bio-fertilizantes, bio-textiles, bio-cueros, entre muchas otras alternativas, lo cual las convierte a las biorrefinerías en procesos sostenibles alineados con la economía circular. Biorrefinería a partir de los residuos agroindustriales del plátano: Un acercamiento a la economía circular en el departamento de Santander 10 En los procesos de biorrefinería se requiere de la intervención de varias disciplinas profesionales dependiendo de los productos a desarrollar como son la bioquímica, las ingenierías, el diseño, las ciencias agrícolas y ambientales para disminuir el desperdicio generado tanto en procesos de cosecha como en la transformación de estos alimentos y de igual forma garantizar la sostenibili- dad en los biomateriales para que los mismos cumplan con las expectativas del cliente final. 6. Referencias Artículos de revistas • Balle, J. (01 de octubre de 2019). El doble diamante: una representación universalmente aceptada del proceso de diseño. Obtenido de https://www.designcouncil.org.uk/our- resources/archive/articles/double-diamond-universally-accepted-depiction-design-process • Calvo, F. (10 de noviembre de 2022). 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Copyright © 2023 Asociación Colombiana de Facultades de Ingeniería (ACOFI) https://economipedia.com/definiciones/economia-circular.html https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412019301357 https://www.udea.edu.co/wps/portal/udea/web/inicio/extension/portafoliotecnologico/articulos/Produccion_de_Biomateriales https://www.udea.edu.co/wps/portal/udea/web/inicio/extension/portafoliotecnologico/articulos/Produccion_de_Biomateriales https://unabradio.com/informe-especial-que-ha-pasado-con-el-carrasco-desde-2011/ https://unabradio.com/informe-especial-que-ha-pasado-con-el-carrasco-desde-2011/ https://eprints.ucm.es/id/eprint/58143/1/T41532.pdf https://www.energias-renovables.com/bioenergia/la-convivencia-entre-tres-generaciones-de-biorrefinerias-20130924 https://www.energias-renovables.com/bioenergia/la-convivencia-entre-tres-generaciones-de-biorrefinerias-20130924 mailto:npdiazp@unadvirtual.edu.co
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