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Durante el siglo XX, la ciencia y la industria se enfocaron en explorar y desarrollar materiales innovadores mediante el aprovechamiento de residuos alimentarios, con el objetivo de satisfacer la demanda de textiles y mitigar el impacto ambiental asociado a su producción 1.
Esta necesidad se intensificó durante las guerras mundiales, cuando se introdujeron las fibras proteínicas regeneradas (FPR) como alternativa a las fibras naturales, como algodón y la lana, que resultaban insuficientes en esa época 2.
Pese a, los avances tecnológicos, la industria textil se mantiene como una de las principales fuentes de daño ambiental. Las fibras naturales como el algodón, la seda y la lana ocasionan impactos significativos, recalcando que la producción de lana representa el 36% de la huella de carbono del sector 1. Este impacto se impone por el uso excesivo de agua, la generación masiva de desechos y la influencia de materias primas de fuente virgen, lo que aporta considerablemente al cambio climático 3. En Ecuador, la falta de control y compromiso en la ejecución técnica de gestión ambiental agudiza estos problemas 4.
Entre las alternativas emergentes, la caseína, una proteína que representa el 80% en la leche, se posiciona como una materia prima renovable y versátil para la producción de fibras textiles 5,6. Esta proteína, junto con el suero, forma parte de las fracciones principales de las proteínas lácteas, siendo la caseína separable y altamente aprovechable para aplicaciones industriales, es esencial para el ser humano debido a su alto contenido proteico 7-9. Su carácter biodegradable y biocompatible la convierte en una opción respetuosa con el medio ambiente, ofreciendo una solución más limpia frente a las fibras sintéticas derivadas de combustibles fósiles.
Históricamente, las fibras basadas en caseína fueron exploradas como respuesta a la escasez de recursos textiles en el siglo pasado. No obstante, el crecimiento del sector textil, impulsado por el consumismo, ha intensificado la extracción de recursos no renovables y agravado la contaminación ambiental 10. En este contexto, el de la caseína ha retornado por su capacidad para abordar los problemas ambientales actuales, indagaciones recientes proponen que su integración en el sector textil permitiría convertirla en un material clave para el futuro de la moda sostenible 11.
Entre quienes han reanimado este enfoque distingue la científica Anke Domaske, quien asoció el potencial de la caseína, una proteína derivada de leche, para la creación de textiles sostenibles
12. Este desarrollo responde a la creciente presión de los consumidores, especialmente de los más jóvenes, quienes demandan productos con menor huella de carbono y fomentan prácticas más conscientes en la industria 13,14.
La presente investigación tuvo como finalidad elaborar una película textil sostenible a partir de la caseína de la leche por medio de la identificación de las condiciones óptimas para su extracción y purificación empleando procesos fisicoquímicos, evaluando sus propiedades físicas, químicas y mecánicas. Además, se fijará la viabilidad técnica y económica del proceso, empleando métodos estadísticos para la idónea discriminación y análisis de los datos coleccionados en la investigación.
53. 54.Los datos adquiridos fueron analizados por el Software Minitab con un nivel de confianza del 5%.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Actualmente, se utilizan comúnmente diversas tecnologías para separar las proteínas de la leche de la fase sérica, como fraccionamiento, concentración, coagulación y secado. Esto ha llevado a la fabricación de diferentes productos proteicos que están disponibles en los mercados, incluidos productos de caseína y productos de proteína de suero 15.
Las proteínas no son nuevas, existen desde hace muchos años y los procedimientos de fabricación son relativamente sencillos. Las tecnologías tradicionales para la fabricación de estos productos incluyen la coagulación ácida o por cuajo 16.
Para determinar el método más eficiente para extraer caseína de la leche y desarrollar películas textiles sostenibles, se planteó un diseño de bloques completamente al azar. Este diseño experimental permitió apreciar el impacto de diferentes variables fisicoquímicas, como la coagulación ácida, la neutralización y el lavado. Los coagulados obtenidos fueron sometidos a procesos de triturado, tamizado, filtrado y secado para obtener una materia prima oportuna para el desarrollo de películas. Posteriormente, se caracterizaron las películas obtenidas para determinar sus propiedades físicas y químicas.
La indagación se empezará coagulando la leche con ácido acético a varias temperaturas (20°C y 38°C), dando como resultado dos lotes de caseína. Posteriormente, se modificarán la temperatura y la concentración de NaOH para evaluar su influencia en la formación de películas textiles.
Los lotes de caseína alcanzados a 20°C y 38°C proporcionarán como punto de partida para la producción de películas. Se efectuarán diferentes tratamientos variando la concentración de NaOH y la temperatura de calentamiento para evaluar su influencia en las propiedades de las películas.
a. Obtención de caseína por precipitación/ácido acético
Con el propósito de obtener la caseína, se llevó a cabo un proceso fisicoquímico minucioso en varios pasos. Inicialmente, se parte de leche entera pasteurizada, y se realizan dos lotes diferenciados. En el primer lote (L1), se mantiene la leche a temperatura ambiente (20°C), en cambio en el segundo lote (L2), se eleva la temperatura a 38°C.
A los dos simultáneamente, se añade ácido acético hasta llegar a un pH de 5.25. Este paso es determinante para precipitar la caseína, este proceso sucede durante un día.
Posteriormente, se lleva a cabo la filtración del precipitado, seguido de un lavado meticuloso con etanol (40 ml) y agua destilada (80 ml). Una vez culminada esta etapa, se procede a pesar el material filtrado.
Se adquiere un polvo de caseína de tamaño estándar tras un proceso de secado, triturado y tamizado.
Seguidamente, se especifica un diagrama de flujo del proceso.
Para una mejor comprensión y visualización del proceso de extracción de la caseína de la leche, se presenta una ilustración detallada en la Figura 4.
b. Proceso de desarrollo de película textil.
Se disponen mezclas de caseína, agua, glicerina y NaOH a diferentes concentraciones para adquirir películas textiles.
La mezcla obtenida se somete a agitación y, luego se lleva a cabo un calentamiento a varias temperaturas de acuerdo con las especificaciones del proceso. Opcionalmente, se puede agregar un agente reticulante, para mejorar las propiedades de la película. La mezcla se agita y se calienta a distintas temperaturas.
Se finaliza el proceso secando la mezcla en una estufa a 45°C. A continuación, se ilustra el proceso en un diagrama de flujo.
Para facilitar la comprensión y visualización del proceso de desarrollo de la película textil, se ilustra detalladamente en la Figura 6.
III. RESULTADOS
a) Obtención de Caseína
Se trató 1000 ml de leche a 20°C y 38°C, acidificando a pH 5.25. Los resultados de la cantidad de caseína adquirida se exponen en la tabla siguiente:
A la temperatura de 38°C es más eficiente para obtener caseína.
b) Resultados obtenidos de la caracterización de la proteína.
Los resultados adquiridos para la caracterización de la leche de cada lote se presentan en la Tabla 2, usando el equipo LACTOSCAN MILKANALYZER de la Facultad de Ciencias del Laboratorio de Bromatología.
Los datos asociados con la operación unitaria de secado se presentan en la Tabla 3, que incluyen las cantidades iniciales y finales de caseína para el respectivo lote. El proceso de secado se realizó utilizando un secador de bandejas a una temperatura constante de 60°C durante 15 horas. Los rendimientos alcanzados fueron de 60.71% en el primer lote y de 63.76% para el segundo, evidenciando la eficiencia del proceso en la recuperación de caseína.
Los resultados indican una reducción importante en la masa inicial durante el proceso de secado, lo que evidencia la efectiva eliminación de humedad del producto. Además, se observa una diferencia en el rendimiento de la caseína entre los dos lotes, posiblemente relacionada con variaciones en la temperatura de acidificación. Las curvas de secado correspondientes al Lote 1, que se presentan en las Figura 7 y 8, apoyan estos hallazgos.
En la Figura se observa que después de 15 horas de secado, la caseína se redujo de 112 a 44 gramos, con un rendimiento del 60.71%, demostrando una eficiente eliminación de humedad.
La Figura 8, se identifica que la velocidad de secado inicial fue constante a 297.6190, variando repentinamente según la humedad libre, que comenzó en 0.0227 y fluctuó entre 0.8864 y 1.3409.
Las Figura 9 y 10 muestran las curvas correspondientes al Lote 2.
En la Figura 9, se puede interpretar que después de 15 horas de secado, la caseína partió con un total de 149 gramos (para 1000 ml) y después de este proceso se obtuvo 54 gramos con un rendimiento del 63.76%.
La Figura 10, muestra que la velocidad de secado varía, comenzando desde cero con una humedad libre de 0.0185 y manteniéndose constante a 238.0952 entre XL de 1.0000 y 1.3333, evidenciando la relación entre velocidad y humedad libre durante el secado.
c) Resultados obtenidos de la caracterización de la película textil.
Los resultados alcanzados evidenciaron la formación de películas en lugar de fibras, debido a varios factores que influyeron en el desarrollo del proceso. Seguidamente, en la Tabla 4, se muestran las propiedades físicas de la película textil.
La película posee una estructura lisa con un espesor que varía entre 0.78 y 0.81 mm, y su color sobresaliente es un amarillo claro, con algunas muestras en tono crema. Conforme a las propiedades mencionadas la película textil, es fácil de manipular. La Tabla 5 muestra su comportamiento al fuego.
Con la ayuda del análisis de las películas textiles revela que son poco resistentes al calor, disolviéndose rápidamente, continuando la combustión tras retirar la llama y dejando una masa negra con apariencia de ceniza. Es decir que, estas películas podrían no ser adecuadas para aplicaciones que requieran alta resistencia térmica, lo que debe considerarse al determinar sus posibles usos.
Por otro lado, la Tabla 6 muestra que las películas textiles son insolubles en ácido acético, acetona, ácido fórmico y ácido sulfúrico, manteniendo esta propiedad constante a 20°C, independientemente de las concentraciones y tiempos de exposición.
Los resultados logrados muestran que la película textil es insoluble en todos los solventes utilizados, como indica la letra "I" en cada celda de los resultados.
Sin embargo, la lámina presenta fragilidad, evidenciada por su baja resistencia al ser despegada de la caja Petri, lo que impide realizar pruebas de tracción para evaluar su resistencia mecánica. Este resultado destaca la necesidad de mejorar la resistencia de la película y de considerar métodos alternativos para su identificación y aplicación.
d) Resultados de la Viabilidad Técnica
Según los parámetros de la Tabla 7, se evaluará la viabilidad técnica del proyecto de investigación para determinar su factibilidad durante el desarrollo.
e) Análisis estadístico cuantitativo
Inicialmente se programó una prueba de resistencia mecánica, pero dadas las características del material, se optará por un método manual.
La viabilidad técnica del proyecto de producción de películas textiles a partir de caseína presenta desafíos, principalmente debido a la disponibilidad media de materia prima, ya que solo se obtiene aproximadamente un 50% de caseína a partir de 1000 ml de leche. La calidad y cantidad de caseína, así como el tiempo de secado, son factores críticos que deben optimizarse para reducir costos. A pesar de todo la formulación para la película no es complicada, la producción de fibra en forma de hilo requiere nuevas técnicas. Es crucial explorar más a fondo el potencial de aplicación de la película textil de caseína y optimizar el proceso de producción para mejorar la competitividad y reducir costos. La viabilidad técnica es prometedora, pero se necesitan estudios adicionales para optimizar el proceso y evaluar sus aplicaciones futuras en la industria textil.
f) Resultados de la Viabilidad Económica
De acuerdo con un análisis detallado de la viabilidad económica en la escala experimental de laboratorio. La producción de láminas de caseína es costosa debido a equipos y mano de obra, lo que impide su producción industrial.
g) Análisis estadístico cuantitativo
Inicialmente se programó una prueba de resistencia mecánica, pero dadas las características del material, se optará por un método manual.
Donde:
Alto: 2
Medio: 1
Bajo: 0
Se utilizó un ANOVA de dos factores para evaluar cómo la concentración de NaOH y la temperatura afectan la resistencia de la película.
Para las concentraciones de NaOH (M)
HO: Las concentraciones de NaOH (M) no generan diferencias en la resistencia de la película.
HA: Al menos una concentración de NaOH (M) genera diferencia en la resistencia de la película.
Para las temperaturas
HO: Las temperaturas no generan diferencias en la resistencia de la película.
HA: Al menos una temperatura genera diferencia en la resistencia de la película.
Las cuales fueron contrastadas mediante pruebas de comparación de medias, considerando un nivel de significancia del 5%.
El análisis ANOVA mostró que tanto la concentración de NaOH (especialmente 0.5 M) como la temperatura afectan la resistencia de la película.
Los resultados del análisis estadístico, corroborados por la observación de los datos en la Figura 12, indican que la temperatura de 65°C y la concentración de NaOH de 0.5 M tienen un efecto significativo sobre la resistencia de la película. En particular, a 0.5 M de NaOH, las películas de los Lotes 1 y 2 no presentaron resistencia, mientras que a 0.2 M sí lo hicieron.
IV. DISCUSIÓN
La película textil desarrollada en este estudio presenta características físicas y químicas comparables en cuanto a su estructura y la reacción que presenta la película al estar expuesta al calor o algún compuesto soluble 21,22. No obstante, los resultados obtenidos en cuanto a propiedades mecánicas no son tan favorables. Este comportamiento es consistente con las fibras proteínicas de ingeniería existentes, las cuales suelen mostrar un rendimiento mecánico débil en comparación con las fibras naturales 23.
A diferencia de estudios anteriores que utilizaban aditivos como aceite de parafina, cera o glucosa 21,22, el presente estudio se centró en minimizar el uso de compuestos químicos, lo cual podría haber afectado las propiedades mecánicas de la película. Además, la imposibilidad de emplear la técnica de electrohilado, debido a la falta de equipo, llevó a la producción de láminas no tejidas en lugar de fibras. Esta diferencia en el método de fabricación influyó negativamente en la resistencia de la película, como se evidencia en los Lotes 1 y 2.
Es importante destacar que, si bien las propiedades mecánicas no alcanzaron los niveles de otros estudios, este trabajo se enfocó en el desarrollo de una película textil más sostenible, evitando el uso de compuestos peligrosos como el ácido sulfúrico y el formaldehído 24-26. Esta elección implicó un cambio de enfoque hacia la producción de láminas no tejidas, lo cual representa una innovación en el campo, aunque plantea desafíos técnicos en términos de resistencia.
En conclusión, la película textil desarrollada en este estudio ofrece una alternativa más sostenible a las películas convencionales, al utilizar menos compuestos químicos y evitar métodos de producción peligrosos. Sin embargo, es necesario realizar investigaciones adicionales para mejorar las propiedades mecánicas y explorar nuevas técnicas de fabricación que permitan obtener películas con mayor resistencia sin comprometer su carácter sostenible.
V. CONCLUSIONES
Se desarrolló una película textil sostenible a partir de caseína de leche, utilizando un proceso fisicoquímico que incluyó precipitación, filtración y secado. Se realizaron experimentos variando la temperatura y la concentración de NaOH para optimizar las condiciones de producción.
Se estableció un protocolo detallado para la extracción y purificación de caseína a partir de leche, empleando ácido acético como agente precipitante. Se optimizaron los parámetros de lavado y secado para obtener un producto de alta pureza.
Se identificaron las condiciones óptimas para la obtención de caseína, determinando el pH y la temperatura ideales para maximizar el rendimiento del proceso. Además, se establecieron los volúmenes de etanol y agua destilada necesarios para los lavados.
Se caracterizaron las películas obtenidas en términos de espesor, estructura, comportamiento ante el fuego y solubilidad en diferentes solventes. Las propiedades mecánicas se evaluaron de manera cualitativa debido a la baja resistencia de las películas. Los resultados indicaron que las películas elaboradas con 0.2 M de NaOH presentaron mejor resistencia que aquellas con 0.5 M.
Se evaluó la viabilidad técnica y económica del proceso de producción de películas textiles a partir de caseína. Se concluyó que se requieren más investigaciones para mejorar las propiedades mecánicas y optimizar el proceso desde el punto de vista económico.
Se realizó un análisis estadístico de los datos obtenidos, utilizando una tabla de frecuencias e interpretación de datos. Los resultados indicaron que las películas elaboradas con 0.2 M de NaOH a 70 y 75°C presentaron las mejores propiedades. Debido a la baja resistencia de las películas, se realizó un análisis cualitativo de la resistencia y se utilizó el software Minitab para un análisis más detallado
