Semilleros biodegradables y compostables para el sector agrícola

Agrimax es un proyecto europeo enfocado al desarrollo y demostración de la producción de productos de gran valor a partir de residuos hortofrutícolas y del procesamiento de alimentos. Este proyecto nace debido a que en Europa cada año se desechan alrededor de 90 millones de toneladas de comida y 700 millones de toneladas de residuos procedentes de cultivos.

El proyecto Agrimax, con duración 4 años, que comenzó en el 2016, está abarcando las siguientes actuaciones:

  • La creación de dos plantas piloto de procesado (biorefinerías) en España e Italia para el procesado de residuos procedentes de cereales, olivas, patatas y tomates.
  • Plataforma online para coordinar las provisiones de residuos y ayudar a maximizar el uso de las plantas piloto durante el año.
  • Tecnologías de procesado que producen biocompuestos de gran valor.
  • Ensayo del comportamiento de biocompuestos
  • Evaluaciones reglamentarias en medio ambiente y sociedad.
  • Estrategias comerciales económicamente competitivas para la comercialización
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Figura 1. Esquema del proyecto Agrimax.

Gracias a la aplicación de diversos procesos en estos flujos de residuos, se producirán una serie de nuevos biocompuestos, con aplicación en:

  • Envase (biopolímeros, biocomposites, biorecubrimientos, envases activos, agentes estabilizadores)
  • Alimentación (aditivos, ingredientes, aromatizantes naturales, recubrimientos comestibles, medios de crecimiento microbiano)
  • Materiales para agricultura o plasticultura biodegradables (semilleros, films para acolchado, biofertilizantes).

El usuario final probará los productos para validar su rentabilidad y desempeño. La biomasa restante se utilizará para la producción de biogás o será retornada a la tierra para el enriquecimiento del suelo.

El proyecto Agrimax ha recibido financiación a través de la Iniciativa Conjunta europea de las Bioindustrias (siglas en inglés, BBI), en el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo el acuerdo de subvención nº 720719.

Desarrollo de Biocompuestos biodegradables y compostables

En el proyecto Agrimax, Aimplas participa en el desarrollo de nuevos biocompuestos para el sector agrícola, siendo la obtención de semilleros compostables uno de los productos objetivo. Por ello, en este artículo se presentan los resultados preliminares obtenidos en el desarrollo de compuestos compostables para el posterior proceso de inyección de dichos semilleros.

En el proyecto se ha diseñado y se ha implementado un proceso para la obtención de productos de alto valor añadido a partir de residuos de la pulpa de patata, siendo uno de estos productos fibra de patata que se puede utilizar como carga de refuerzo en posteriores procesos.

A partir de las fibras extraídas de residuos de la patata, se han desarrollado compuestos utilizando como base una matriz polimérica biodegradable y compostable. Los biocompuestos obtenidos hasta ahora, con contenido de fibra de 5-10%, se han obtenido a través de una extrusora de doble husillo, diseñando una configuración de husillos específica que permita obtener la máxima dispersión de la fibra y evite su degradación térmica.

Tras este proceso de compounding, se ha llevado a cabo una caracterización del material sobre probetas inyectadas, para determinar propiedades mecánicas y térmicas.

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Figura 2. De la obtención de residuos hasta la inyección del material.

Para cada uno de los compuestos obtenidos se han optimizado los diferentes parámetros de inyección tales como temperatura de cilindro, temperatura de molde, velocidad de inyección, entre otros, para asegurar el correcto llenado de la cavidad del molde y evitar la degradación de la fibra, ya que en caso de procesar el material a excesiva temperatura la fibra oscurece de color.

Los nuevos compuestos no presentan degradación durante el proceso de transformación, a temperaturas de fundido inferiores a 170 °C, obteniéndose el producto con la calidad requerida (ver Figura 3).

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Figura 3. Probeta inyectada tras la optimización de parámetros de inyección (biocompuesto con 5% fibra).

En la Figura 4 se observan la secuencia de optimización del proceso de transformación evaluándose como parámetros de respuesta:

  • La temperatura del fundido. A temperaturas elevadas la degradación oscurece el compuesto, ver Figura 4a.
  • El llenado completo del molde, ver Figura 4b.
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Figura 4. a) Aspecto de material inyectado a excesiva temperatura; b) Proceso de optimización de llenado de molde.

La caracterización realizada sobre las probetas inyectadas ha consistido en realizar ensayos de tracción, impacto Charpy y HDT (heat distortion temperature). Para valorar las propiedades mecánicas (Figura 5) y térmicas (Figura 6) de los biocompuestos obtenidos, los resultados se han comparado con el biopolímero base seleccionado (sin fibras) y con el material que actualmente se utiliza para la inyección de semilleros (polipropileno-PP).

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Figura 5. Resistencia mecánica (valores en MPa) y resistencia al impacto de los biocompuestos (valores en kJ/m2).

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Figura 6. Resistencia térmica de los biocompuestos. Valores de HDT.

Los resultados obtenidos indican que la resistencia mecánica de los compuestos con 5-10% fibra es superior al material de referencia (polipropileno). La resistencia al impacto es inferior que el biopolímero sin reforzar, pero los valores obtenidos son comparables al polipropileno, observándose solo una ligera disminución. En el caso de los ensayos de HDT, se observa que la resistencia térmica de los biocompuestos es superior al material de referencia (PP). Los productos fabricados con los compuestos permitirían utilizarse en aplicaciones en las que la temperatura de uso esté cercana a los 85-89 °C.

Semilleros compostables

Los compuestos con fibra desarrollados se han utilizado para la obtención de semilleros mediante el proceso de inyección (Figura 8). Para validar el proceso y la aplicación se ha diseñado un prototipo como el de la siguiente foto, con espesor de pared aproximado de 0,6 mm. Para cada uno de los compuestos se optimiza los parámetros de inyección con un correcto llenado del molde, reduciendo la fricción del material y su tiempo de residencia en el equipo.

El biopolímero seleccionado como matriz base presenta inicialmente una menor resistencia a la compresión en comparación al polipropileno, pero se comprueba que la adición de 5-10% de fibra refuerza el semillero aumentando su resistencia desde 806 N hasta 1.080 N. Por otra parte, se han realizado ensayos de impacto, observándose que en ensayos de caída libre no se produce rotura en ningún caso cuando se dejan caer los semilleros con una masa de 115 g desde una altura de 2 metros.

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Figura 7. Semilleros compostables obtenidas a partir de fibra de patata y resistencia a la compresión.

La calidad de los semilleros obtenidos tanto a nivel superficial, dimensional y de propiedades mecánicas, se traduce en un producto adecuado para el cultivo de plantas ornamentales o plantación de semillas, tal y como se ha realizado a modo de prueba en los primeros prototipos obtenidos en el proyecto (Figura 8).

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Figura 8. Semilleros compostables obtenidas a partir de fibra de patata y resistencia a la compresión.

Aunque los materiales utilizados para el desarrollo de los compuestos son compostables y las fibras proceden de residuos agroindustriales, en estos momentos se están realizando una batería de ensayos para evaluar la compostabilidad de los compuestos desarrollados con fibra según la norma europea EN-13432, incluyendo la desintegración de los semilleros inyectados. Estos ensayos incluyen la a) determinación de características químicas de los materiales; b) Biodegradabilidad en condiciones de compostaje controlado según la norma ISO 14855; c) Evaluación de la desintegración de acuerdo al procedimiento establecido en la norma ISO 20200: 2015; d) Evaluación de los efectos ecotoxicológicos en plantas superiores con ensayo de crecimiento de plantas OECD 208; y e) Efecto sobre la calidad del compost obtenido. Estos ensayos determinarán que el residuo generado de los semilleros, tras su uso, puede tratarse en una planta de compostaje.

Aimplas y la Economía Circular

Aimplas participa en este proyecto y desarrolla estas investigaciones en línea con su compromiso con la sostenibilidad medioambiental. Gracias a ello, las empresas del sector pueden introducir los criterios de la Economía Circular en su modelo de negocio y convertir los cambios legislativos que les afectan en oportunidades para mejorar su eficiencia, reducir su impacto ambiental y aumentar su rentabilidad económica. En este sentido, Aimplas también investiga en ámbitos como el reciclado, los materiales y productos biodegradables, el uso de biomasa y CO2.

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