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

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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

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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

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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.

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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.

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i

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

(6)

ii

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

(7)

iii

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

(8)

iv

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

(9)

v

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

(10)

vi

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

(11)

vii

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

(12)

viii

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

(13)

ix

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

(14)

x

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

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1 – 150

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 Paz2. 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

(16)

2 – 150

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.

4

Industria Boliviana <http://industriabolivia.blogspot.com/2010/01/papelbol-planea-usar-desechosde.html>

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3 – 150 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

(18)

4 – 150

TABLA 1: ACCIONES DE LA INVESTIGACIÓN

OBJETIVOS ESPECÍFICOS ACCIONES

Realizar un diagnóstico de la

situación actual Tipificación de la Planta de Banano Caracterizar de las fibras del pinzote

de banano

Identificar el tamaño de fibra

Identificar los componentes de la fibra Establecer las operaciones del

proceso experimental para obtener papel

Identificar las operaciones unitarias para la obtención de papel

Estructurar el proceso con las operaciones que intervienen en el proceso

Determinar las variables que intervienen en el proceso experimental

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

Determinar la planificación para la experimentación

Seleccionar un método para la experimentación

Determinar recursos para la experimentación

Desarrollar la experimentación Realizar experimentación

Registrar datos y resultados obtenidos

Interpretar los 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.

(19)

5 – 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

(20)

6 – 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

(21)

7 – 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 INDICADORES

Variable Independiente Operaciones Físicas Descortezado Peso de la corteza Trozado Tamaño de trozos Triturado Tamaño de partícula Tamizado Tamaño de tamiz Laminado Espesor de la hoja Prensado Tiempo de prensado Humedad del producto terminado Operaciones Químicas Neutralizado pH del producto final Operaciones de Transferencia de Masa Extracción sólido líquido Tiempo de extracción del sólido Temperatura Concentración del solvente Relación sólido líquido Velocidad de agitación Blanqueado Concentración del agente blanqueador Secado Humedad de equilibrio Variable Dependiente Papel Especificaciones técnicas 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

(22)

8 – 150 1.8 MATRIZ DE CONSISTENCIA

FIG. 1: MATRIZ DE CONSISTENCIA

PROBLEMA OBJETIVO HIPÓTESIS

FUENTE: Elaboración propia en base a ZEGARRA Justiniano, Manual para la elaboración de

Trabajos de grado nivel licenciatura, p. 15. ¿Cuál es el proceso experimental para obtener papel a partir de los residuos de la cosecha del banano?

OBTENCIÓN DE PAPEL A PARTIR DE LOS RESIDUOS AGRÍCOLAS DEL BANANO

Elaborar papel a partir de los residuos de la

cosecha del banano Que Permita Determinar el Proceso Experimental Permitirá Un proceso físico y de transferencia de masa Obtener papel empleando los residuos de la cosecha del banano

(23)

9 – 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 ACCIONES FUNDAMENTO TEÓRICO Realizar un diagnóstico de la situación actual Tipificación de la Planta de Banano Botánica Metodología de la Investigación

Caracterizar de las fibras del pinzote de banano

Identificar el tamaño de fibra Química Identificar los componentes de

la fibra Química

Establecer las operaciones del proceso experimental para obtener papel

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

Determinar las variables que intervienen en el proceso experimental

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

Operaciones Unitarias Determinar la planificación para la experimentación Planificar el desarrollo de la experimentación Metodología de la Investigación Determinar recursos para la

experimentación Metodología de la Investigación Desarrollar la experimentación Realizar experimentación Operaciones Unitarias Metodología de la Investigación Registrar datos y resultados

obtenidos

Operaciones Unitarias

Metodología de la Investigación

Interpretar los resultados obtenidos

Determinar las características

del papel obtenido Control de Calidad Comparar con otros tipos de

papel e identificar el uso del papel obtenido Metodología de la Investigación Realizar la interpretación teórica de la experimentación Operaciones Unitarias

FUENTE: Elaboración propia en base a ZEGARRA Justiniano, Manual para la elaboración de

(24)

10 – 150

FIG. 2: MAPA CONCEPTUAL DE METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

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. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN CONOCIMIENTO CIENTÍFICO METODOS DE INVESTIGACIÓN Métodos empíricos de investigación La observación La medición La experimentación Planificación de experimento TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN Técnicas de recolección de información Investigación documental Muestreo Técnicas de medición Escalas de clasificación contínua TRABAJO DE GRADO

(25)

11 – 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. 10

IBID, p. 23. 11

(26)

12 – 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

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

12

FARGIN John, Revista Información Tecnológica, volumen 10, 2001, p 74 13

LOPEZ José, Diseños Experimentales: Planificación y Análisis, 1993, p. 32. µ Materia Prima Aditivos Disolvente Agua Energía Variación de Variables Papel Residuos E S K Proceso

(27)

13 – 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 Utilización

La observación

No permite establecer parámetros cuantitativos y cualitativos

No La medición No permite analizar y

relacionar las variables No

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

FUENTE: Elaboración propia

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.

(28)

14 – 150

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

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

HERNÁNDEZ Rubén, Botanical Book, 2001, p. 8. 15

MONTALVO Mercedes, Viaje a la Habana, 2008, p. 35.

BOTÁNICA

BANANO

Distribución

y Hábitad Taxonomía Especies Morfología

Pseudotallo Raiz Inflorecencia Hojas Fruto Raquis

Composición Producción y

Usos

(29)

15 – 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.

17

Inst. Interamericano de Cooperación para la Agricultura, Compendio de Agronomía Tropical, 1981, p 95.

18

(30)

16 – 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

(31)

17 – 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

Centro de Información y Gestión Tecnológica, <www.ciget.pinar.cu> 21

(32)

18 – 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

Centro de Información y Gestión Tecnológica, <www.ciget.pinar.cu> 23

(33)

19 – 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 Utilización

Distribución y Hábitat Requieren de datos de investigaciones preliminares No Taxonomía

Permite conocer el orden y jerarquía de la planta de banano

Especies

Identifica los posibles objetos de estudio para la investigación

Morfología

Identifica las partes de la planta del banano que se cosechan

Sí Pseudotallo Residuo de la planta del

banano Sí

Raíz

No son residuos de la

planta del banano No Inflorecencia

Hojas Fruto

Producto que se cosecha y que está vinculada con el residuo principal

Sí Raquis Residuo de la cosecha

del banano Sí

(34)

20 – 150

2.3 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS RESIDUOS DE LA COSECHA DEL BANANO

FIG. 6: MAPA CONCEPTUAL DE IMPACTO AMBIENTAL

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. IMPACTO AMBIENTAL RESIDUOS ORGÁNICOS Aspectos ambientales Impactos Ambientales Descomposición orgánica Aguas de lixiviación Emisión de Gases RESIDUOS INORGÁNICOS REUTILIZACIÓN Y RECICLAJE

(35)

21 – 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, <http://historico.unperiodico.unal.edu.co/Ediciones/116/18.html> 26

Revista ECOMARCA, >http://www.mantra.com.ar/contecologia/organicoseinorganicos.html> 27 MANSON Harris, Instituto Interamericano de Ciencias Agrícolas, 1980, pp. 49 – 51

(36)

22 – 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

(37)

23 – 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

Organic Waste, <www.cleanuptheworld.org> 30

(38)

24 – 150

TABLA 7: ANÁLISIS COMPARATIVO DE IMPACTO AMBIENTAL

Instrumento Ventaja Desventaja Utilización

Residuos Orgánicos Corresponde a la acumulación de raquis de banano. Sí Residuos Inorgánicos No corresponde a la acumulación de raquis de banano. No Reutilización y reciclaje El raquis de banano se emplea para fabricar nuevos materiales (papel), no para reutilizarlo. No Impacto Ambiental Permiten conocer todas las consecuencias, para el medio ambiente, que provoca la

acumulación del raquis de banano.

FUENTE: Elaboración propia

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.

(39)

25 – 150

2.4 OPERACIONES UNITARIAS PARA EL PROCESO DE OBTENCIÓN DE PAPEL

FIG. 7: MAPA CONCEPTUAL DE OPERACIONES UNITARIAS

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. OPERACIONES

UNITARIAS

TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA

Extracción sólido - líquido

Blanqueado Secado OPERACIONES FÍSICAS Y QUÍMICAS Operaciones físicas Descortezado Trozado Triturado Tamizado Formacion de la Hoja Prensado Encolado Operaciones químicas Neutralizado MECÁNICA DE FLUIDOS

(40)

26 – 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

IBID, p. 8. 33

(41)

27 – 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

ALVARES Blanco y ZARAGOZAN Carbonell, Química industrial, 1995, p 218 35

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28 – 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

RUSSELL Brown, La situación del mundo 2000: Informe del Worldwatch Institute, 2001, p 197

37

COULSON J.M, Ingeniería química: operaciones unitarias básicas, 2005, p 35

38

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29 – 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.adabi-ac.org/ccre/descargas/art10_industrial.pdf>

40

IBID, p. 5. 41

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30 – 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

43

IBID, p. 64.

44

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Referencias