Resumen

Las plumas de ave son un material escasamente reutilizado ya que la gente no tiene un conocimiento sobre el desperdicio y contaminación que estas generan,la queratina es una proteína con una estructura fibrosa que tienen las plumas de ave,a la que se deben su resistencia y dureza.Los bioplásticos son escasos en nuestro país ya que el 70% de los plásticos que se consumen son fabricados con materiales y procesos que no empatizan con el medio ambiente,estos podrían ser aprovechados de una mejor manera.En nuestro proyecto se le da un uso a la queratina extraída y a los plumas de ave para reutilizarlas,obteniendo una película plástica biodegradable, se extrajo la queratina de las plumas de las aves de nuestra granja Zamá,que se iban desprendiendo y se realizó el proceso de la realización de la película plástica con un duración de 1 mes donde fue trabajada 2 veces por semana con un intervalo de 3 a 4 días, fué un proceso muy largo.El proceso se realizó en 4 procesos;lavado y secado de plumas,donde las plumas son agitadas en agua constantemente para su secado;despigmentación, en el cuál se agrega una solución de hipoclorito de calcio a las plumas;desmineralización,donde al resultado del proceso anterior se le agregó una solución de ácido clorhídrico, y se lavaron las plumas;desacetilación,donde se les agregó una solución de hidróxido de sodio con un baño de glicerina y agua destilad;solidificación,utilizando el proceso de evaporación del solvente al final.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Antecedentes

Plumas de patos:

Las plumas les proporcionan su llamativo colorido, protección contra el frío y el calor intensos, les permiten desplazarse fácilmente en el aire y el agua, las esconden de sus enemigos.

La pluma es una estructura epidérmica, lo que quiere decir que se deriva de la piel. Se ha mencionado que el antecesor inmediato de las plumas son las escamas de los reptiles, pues crecen de la misma manera y están formadas de la misma sustancia, la queratina, que es la proteína que forma las uñas, el pelo y las escamas en otros grupos de vertebrados. El hecho de que las plumas están compuestas de este material les permite tener características ventajosas, como mayor duración y resistencia a los efectos del medio.

Hay una glándula especial llamada «glándula de Preen» cerca de la cola de los mismos. Esta pequeña glándula produce aceite que el que se le llama acicalamiento, actividad en la que algunas especies invierten largos periodos de tiempo para el mantenimiento de las plumas.

Queratina:

La queratina (del griego κερατίνη, córneo) es una proteína con estructura fibrosa, muy rica en azufre,​ que constituye el componente principal que forman las capas más externas de la epidermis de los vertebrados y de otros órganos derivados del ectodermo, faneras como el pelo, uñas, plumas, cuernos, ranfotecas y pezuñas.

Una de las biomoléculas cuya dureza se aproxima a la de la queratina es la quitina, con la cual no hay que confundirse, al ser esta última un polisacárido.

La queratina es una proteína que posee características que le otorgan gran eficiencia mecánica en cuanto a tensión y a compresión. Es producida por un tipo especial de células que se denominan “queratinocitos”, que usualmente mueren después de que la producen.

La queratina está compuesta básicamente por un aminoácido de alto contenido de azufre. Las queratinas duras contienen entre un 15 o un 18% de azufre, mientras que las blandas sólo tienen entre un 2 y un 4%. 

Los protómeros de queratina se unen entre sí para formar dímeros. El dímero es el primer precursor de la gran molécula de la queratina en el que entran en juego varias proteínas. La unión no tiene lugar de cualquier manera, sino de una forma muy concreta: una subunidad ácida se unirá con una subunidad básica. De esta forma, la macromolécula acabará teniendo la misma proporción de subunidades básicas que de subunidades ácidas.

Posteriormente, dos dímeros se unirán entre sí para formar tetrámeros. Multitud de tetrámeros se unen entre sí, unos detrás de otros, dando lugar a los protofilamentos; varios protofilamentos se unen entre sí , en grupos de unos cuatro protofilamentos formando una protofibrilla, a partir de estas protofibrillas bien cohesionadas se formarán las grandes

moléculas de queratina, uniéndose muchas subunidades y torsionando formando un trenzado.

Plásticos:

El uso de productos plásticos es necesario en nuestra vida cotidiana, lo que ha generado un grave problema de contaminación ambiental a nivel mundial debido al tiempo que tarda en degradarse; además, aportan al calentamiento global ya que las fundas plásticas liberan gases de efecto invernadero(metano y dióxido de carbono principalmente) cuando se acumulan en los centros de acopio de desechos y comienzan a descomponerse.

Los plásticos sintéticos tienen su origen en los derivados del petróleo, se estima que su degradación tarda alrededor de 500 años. Esta particularidad y la necesidad de su uso, hace indispensable investigar sobre la obtención de plásticos amigables con el ambiente, dando como resultado la creación de los biopolímeros.

Son varios los factores que demuestran la importancia de los biopolímeros: el alto costo de las resinas derivadas del petróleo, la creciente conciencia de los consumidores acerca de la necesidad de proteger el ambiente, la madurez tecnológica ya alcanzada en la generación de productos de desempeño con estas resinas derivadas del petróleo. Esto explica que en los últimos años los fabricantes de envases han lanzado al mercado productos de plásticos renovables.

Los bioplásticos a diferencia de los plásticos convencionales, tienen su origen en productos vegetales o animales; en el proceso de su elaboración emiten entre 0,8 y 3,2 toneladas menos de dióxido de carbono por tonelada en comparación de los plásticos derivados del petróleo y en el tiempo de degradación es menor, constituyendo así una alternativa para la sustitución de una gran variedad de plásticos.

La utilización de estos residuos agrícolas para hacer bioplásticos, permite dar una segunda vida a un residuo y obtener un polímero biodegradable, de llegar a obtener resultados favorables, en un futuro se podría utilizar este desecho barato y abundante en la elaboración de varios productos, en lugar de que acabe incinerado o almacenado en los centros de acopio de basura. 

Un polímero es una gran molécula constituida por la repetición de pequeñas unidades químicas simples. En algunos casos la repetición es lineal, de forma semejante a como una cadena la forman sus eslabones, en otros casos las cadenas son ramificadas o interconectadas formando retículos tridimensionales. La unidad repetitiva del polímero es usualmente equivalente o casi equivalente al monómero o material de partida del que se forma el polímero .

Generalmente, las unidades químicas de las cuales está conformado un polímero son llamadas monómeros.

En función de la respuesta mecánica que tenga el polímero frente a temperaturas elevadas, pueden ser: 

Termoplásticos: Son polímeros que, al calentarse a determinadas temperaturas (sobre la temperatura vítrea Tg), se convierten en fluidos, permitiendo su moldeabilidad en la forma deseada, que quedará preservada al enfriarse pues se endurecen debido a la formación de cristales. Constituyen el grupo más importante y de mayor uso comercial de polímeros sintéticos. Generalmente a estos materiales se les aplica calor y presión. Su estructura general puede ser lineal o ramificada y como característica general son blandos y dúctiles. Como ejemplos comunes de termoplásticos se encuentran los polietilenos, los polipropilenos, el policloruro de vinilo, las poliamidas, los policarbonatos, los poliuretanos. 

Elastómero: Son polímeros que contienen cadenas con mucha libertad de movimiento molecular (flexibilidad). Presentan dobles enlaces a lo largo de la cadena, pero también se pueden usar monómeros tridimensionales. Son insolubles, pero hinchables con solventes orgánicos. Los elastómeros se utilizan por sus excelentes propiedades elásticas, como ejemplo, se puede citar al caucho natural y sintético, el caucho nitrilo, el caucho estireno, entre otros. 

Termoestables: Son polímeros que no pueden fluir por efecto de la temperatura para ser remoldeados. Están conformados por moléculas de cadena larga que están entrecruzadas en una organización tridimensional. Son moléculas de alto peso molecular con fuertes enlaces covalentes, tienden a ser resinas de mucha rigidez, y al someterlos a temperatura elevada, en vez de ablandarse, promueven la descomposición química del polímero (carbonización). A temperatura ambiente estos polímeros son duros y frágiles. Generalmente estos polímeros tienen mejores propiedades mecánicas, químicas, térmicas, y resistencia eléctrica de todos los polímeros termo dependientes. Como ejemplos de polímeros termoestables se tienen a las resinas vinil ésteres, resinas epoxi, resinas fenólicas, resinas urea-formaldehído, etc .

Objetivo

Elaborar un bioplástico a base de queratina extraída a partir de plumas de ave obtenidas de la granja Zamá

Justificación

Actualmente las plumas de ave son un material escasamente reutilizado y terminan siendo mezclados con otros residuos para convertirlos en alimento para salmones o terminar rellenos sanitarios o en otras ocasiones simplemente son incinerados para su eliminación perdiendo así la oportunidad de generar productos con valor agregado.

La queratina puede ser utilizada hasta para propósitos biomédicos si es que se le da el tratamiento requerido para obtener un pureza muy alta, se le puede dar otro uso  a menor escala.

El problema de la contaminación puede ser convertida en una oportunidad para renovar la industria del plástico a largo plazo , también ayudando dentro del tema de la contaminación del medio ambiente.

En nuestra institución Centro Escolar Zamá, contamos con una cantidad de 15 patos que habitan nuestra granja, con el tiempo el plumaje que van desprendiendo genera un problema de contaminación y desperdicio.

Hoy en día la gente no tiene un conocimiento sobre este tema por ende se genera un desperdicio de las propiedades de las plumas.

Hipótesis

Sí logramos extraer la queratina de las plumas de ave, entonces obtendremos una película plástica biodegradable.

Método (materiales y procedimiento)

Materiales

-5g de plumas de pato

-Vaso de precipitados

-Malla/colador

Mechero y tripie

-Molino ultra centrífugo con un tamiz de diámetro de partícula de 2mm (licuadora)

-80ml de ácido sulfúrico al 20%

-20ml de solución de hidróxido de sodio

-100ml de agua destilada

-80ml de solución de ácido clorhídrico 1M

-20ml de solución de hipoclorito de calcio al 3%

-100ml de glicerina pura

-Un par de guantes quirúrgicos

-Lentes de seguridad

*Nota:Es indispensable utilizar lentes de seguridad y guantes quirúrgicos , ya que algunos de los materiales que se utilizarán pueden llegar a ser corrosivos para la salud.

Procedimiento

1. Recolectar 5g de plumas de pato
2. Agregar las plumas en un vaso de precipitados, con suficiente agua.
3. Agitar las plumas de forma manual y ocasional, después de 6 horas se desechará el agua con una malla/colador, se repite el proceso dos veces más.
4. Secar las plumas en un mechero a 50°C por 48 horas.
5. Realizar la molienda de las plumas utilizando una licuadora.
6. Agregar 20ml de solución de hipoclorito de calcio al 3%, con una relación de plumas/solución de Ca(C10)2 (p/v)de 1/7  por 30 minutos a una temperatura de 18-22°C.
7. Utilizar una solución de ácido clorhídrico(HCI) 1M, trabajando con una relación de plumas/HCI (p/p) de ⅓  por 24 horas a una temperatura de 18-22°C.
8. Lavar las plumas, para eliminar el exceso de ácido en la muestra, controlando que el agua de lavado tenga un PH de hasta 5.
9. Añadir 20ml de solución de hidróxido de sodio (NaOH) a diferentes concentraciones con agitación constante.La relación de plumas/solución de NaOH (p/p) fue de 1/7, se trabajó por una hora y a una temperatura de 100°C con un baño de glicerina.
10. Lavar la queratina obtenida con agua destilada hasta que el agua del lavado tenga un PH de 10-13.
11. Utilizar el método de “evaporación del solvente” para la formación de películas plásticas.

Galería Método

Resultados

Obtuvimos una sustancia que dejamos reposar durante una semana para su solidificación.

La sustancia tomó una consistencia menos líquida, que parecía estar sólida, con una textura grasosa al tacto, de una tonalidad café claro que contaba con un grosor de 1.5mm y un diámetro de 10cm.

Al momento de empezar a desprender la película plástica de la caja petri, se fragmentaba ya que el grosor que tenía no era el adecuado.

La suma total de lo gastado en la elaboración de nuestro proyecto fueron 170 pesos mexicanos, el cual fué usado para la compra de una caja de guantes quirúrgicos, ya que los materiales restantes fueron obtenidos dentro del laboratorio de nuestra institución, al igual que las plumas de ave.

Galería Resultados

Discusión

En la primera fase experimental se obtuvo un resultado positivo ya que con la queratina extraída se logró la realización de la película plástica, sin embargo al momento de desprenderla ésta se fragmentaba debido al grosor de éste.

En la segunda fase experimental se dió un resultado negativo ya que en el proceso se agregó menor cantidad de glicerina, lo que afectó en la solidificación de la película plástica.

Conclusiones

Dentro de la fase experimental se obtuvo la separación de la queratina, después de un proceso largo y complicado.

Aproximadamente el proceso tuvo una duración de 1 mes, donde se trabajó 2 veces por semana, con un intervalo de 3 a 4 días de clase y clase.

La queratina se colocó con ayuda de una espátula dentro de una caja petri, donde el proceso de solidificación no se pudo concretar ya que al querer desprender la película plástica se fragmentaba debido a que el grosor no era el adecuado.

Bibliografía

Summary

Bird feathers are a material that does not have much chance of being reused, because people are not aware of the contamination that feathers produce, the keratin it’s an protein with an fibrous structure, the bioplastics are scarves in our country the 70% of the plastics that Mexico use, are produce them with contaminant methods to the environment. We can use different methods that don’t pollute the environment. The extracted keratin and bird feathers are used to reuse them, obtaining a biodegradable plastic film, the keratin was extracted from the feathers of the birds of our Zama farm, which were detaching and the process was carried out from the realization of the plastic film with a duration of 1 month where it was worked 2 times a week with an interval of 3 to 4 days, it was a very long processes. The process was carried out in 4 processes; washing and drying of feathers, where the feathers are constantly shaken in water to dry them; depigmentation, in which a calcium hypochlorite solution is added to the result of the previous process, and the feathers are washed; deacetylation, where a sodium hydroxide solution was added to them with a bath of glycerin and distilled water, solidification, using the solvent evaporation process at the end.

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography