Claudia Patricia Tavera Ruiz; Paola Gauthier-Maradei*
Escuela de Ingeniería Química, Universidad Industrial de Santander (UIS),
Cra 27, Cll 9, Bucaramanga, Colombia.
*mapaomar@uis.edu.co
Fecha Recepción: 7 de octubre de 2011
Fecha Aceptación: 7 de abril de 2012
En este trabajo se muestran los resultados obtenidos en el estudio experimental del proceso de producción de látex cremado, en el cual se determinó el efecto de algunas condiciones de operación en la obtención de un producto que satisfaga los parámetros internacionales de calidad. Se seleccionaron las condiciones de operación que muestran las influencias más importantes en los criterios de calidad definidos en la norma ASTM 1076. El estudio se realizó utilizando dos tipos de agente cremador (alginato de sodio, carboximetilcelulosa), dos concentraciones de éste y cuatro tiempos de cremado. Además, se estudió la influencia de la separación de fases formadas durante el proceso de cremado en la calidad del producto obtenido, realizando dos tipos de estudio: sin separación de fases y con separación de fases cada dos días. Como resultado se obtuvo que el experimento que presentó mayor estabilidad, en TSC y DRC fue el realizado con alginato de sodio a 1,5g/L con tiempo de cremado menor a 2 semanas, con separación cada dos días.
Palabras clave: caucho natural, concentración de látex, alginato de sodio, carboximetilcelulosa.
This work shows the results obtained in the experimental study of creamed natural latex manufacturing process. In this study, the effect of some operating conditions on product properties, that must satisfy the international criteria, has been determined. The operating conditions, that allow the most important effect on the quality criteria proposed by ASTM 1076, were defined. This work was carried out using two different creamed agents (sodium aliginate, carboxymethylcellulose), two concentration and four creamed times. Moreover, the effect on the product quality of the two phase's separation, produced during the creamed process, has been studied. Finally, two types of studies were done: with or without phase separation. The test with the best stability, higher TSC and DRC, were obtained using sodium alginate at 1.5g/L, creamed times lower than two weeks and phase separation of two days.
Keywords: natural rubber, latex concentration, sodium alginate, carboxymethylcellulose.
En su estado natural el caucho se presenta
en suspensión coloidal en el látex de plantas
productoras de caucho. En la naturaleza existe un
gran número de plantas que producen látex, las que
pertenecen principalmente a las familias Moracea,
Euforbiacea, Caricacea y Sapotacea, entre otras
de menor importancia. Sin embargo, el que
produce en mayor proporción y calidad es un árbol
perteneciente a la familia Euforbiacea conocido
científicamente como Hevea brasiliensis [1].
El látex es un líquido blanco, poco viscoso y de
aspecto lechoso, constituido por una suspensión
coloidal de partículas de caucho de 0,5 a 3,0 μm
de diámetro. Aparte del agua y del caucho se
encuentran también algunas proteínas naturales,
resinas y azúcares. Se sabe que el pH del látex
se encuentra muy cerca de la neutralidad en
el momento de la extracción, pero éste pasa
rápidamente en estado ácido bajo la acción de
ciertos microorganismos o de enzimas culpables
de la coagulación espontánea. En consecuencia,
de manera corriente el látex es preservado con
algunos agentes químicos una vez extraído
del árbol, esto con el fin de mantenerlo en un
pH próximo al neutro hasta el momento de su
procesamiento [2].
Según el tipo de tratamiento y beneficio el
caucho natural se puede obtener en diferentes
presentaciones y calidades. El látex puede ser
preservado y concentrado para ser comercializado
como látex natural (caucho líquido) o coagulado o
transformado en diversos tipo de caucho sólido.
El caucho líquido es usado en la industria en
diversas aplicaciones, utilizado como materia
prima para la manufactura de un gran número de
productos como llantas, juguetes, calzado, entre
otros. Actualmente se comercializa de dos formas,
como látex normal preservado y látex concentrado.
Por razones del costo de transporte y facilidad de
aplicación, la mayor parte del látex usado en la
industria, principalmente en el sector de llantas,
línea automotriz, calzado, línea médica y productos
de alto valor agregado, está en forma concentrada,
eliminando considerablemente la cantidad de
agua [3,4]. Diversos procedimientos se utilizan
actualmente con este fin, siendo los más extendidos
el cremado y centrifugado. El látex cremado se
obtiene por la adición de sustancias químicas y el
centrifugado mediante centrifugación [5-8].
El látex centrifugado es el proceso de concentración
más corriente en la industrial del caucho, sin
embargo, implica costos de inversión importantes
difíciles de asimilar para pequeños cultivadores,
como el caso de Santander, Colombia. Por tal razón,
este estudio propone un desarrollo orientado hacia
la concentración de látex mediante un proceso de
cremado, utilizando para ello agentes cremadores
menos contaminantes. El estudio de Ochigbo et
al. [9], publicado en 2011, muestra la posibilidad
de utilizar agentes cremadores de origen natural,
menos costosos y más accesibles a la población.
Ellos realizaron un análisis comparativo entre el
uso del alginato de sodio, comúnmente utilizado
en la industria mundial actual [3], y semillas de
tamarindo en polvo, los valores de DRC (Dry
Rubber Content) obtenidos para cada proceso de
cremado son muy similares.
La literatura no muestra un desarrollo investigativo
en torno a este tema, de hecho, además del
trabajo de Ochigbo et al., existe tan sólo otro
estudio reciente donde se estudia el proceso de
cremado del látex natural y se pretende encontrar
un nuevo agente cremador, diferente al alginato
de sodio, que permita mejorar el proceso. Yumae
et al. [10] utilizaron como agente cremador
el hidroxiletilcelulosa y el laurato de amonio,
obteniendo valores de TSC (Total Solid Content) y
DRC ligeramente inferiores a los mínimos exigidos
por la norma ASTM 1076 [6] para un látex cremado.
En el marco de este estudio, un análisis
bibliográfico sobre el proceso de producción de
látex cremado permitió identificar tres variables
importantes en el proceso de transformación del
látex después de su recolección y neutralización
[5,6,10]. La selección es basada en la influencia de
estas variables en los resultados finales de calidad
y cantidad de látex cremado obtenido. Estas
variables son: agente cremador, concentración del
agente cremador, tiempo de cremado. Además de
ello, se agregó una variable adicional teniendo en
cuenta el análisis de los resultados preliminares de
este trabajo, los cuales evidenciaron la necesidad
de realizar una separación consecutiva de fases
durante el tiempo de cremado. En consecuencia,
se agregó una cuarta variable al estudio del
proceso de producción de látex cremado que fue:
periodo de separación de fases. En consecuencia,
El objetivo principal de esta investigación fue
realizar un estudio experimental del proceso
de cremado para la obtención de productos
especificados con normas de calidad, los cuales
garanticen la tecnificación y mayor competitividad
en el mercado, en cuanto a precio y calidad. Esto
con el fin de implementarlo en el municipio de
Cimitarra Santander, mayor productor de caucho
natural en la región.
La producción de látex cremado se realiza en
cuatro etapas: filtración, sedimentación, cremado
y separación.
En la etapa de filtración, el látex atraviesa un filtro
con el fin de separar los posibles precoágulos,
insectos, flores, hojas y trozos de corteza que
hayan caído a las tazas de recolección. La etapa
de sedimentación permite eliminar los sedimentos
presentes en el látex natural, éstos generalmente
cargados de minerales. La etapa mas importante
en ese proceso es el cremado, en ella se consigue
que el látex se concentre permitiendo de esta
manera la eliminación de una gran cantidad de
agua. Finalmente está la etapa de separación, en
la cual la fase orgánica, compuesta principalmente
de isopreno, es separada por simple decantación
de la fase acuosa.
En este estudio se analizaron dos etapas de proceso:
cremado y separación, donde las condiciones de
operación afectan marcadamente la calidad del
producto. Sin embargo, el proceso de producción
realizado a nivel laboratorio tuvo presente todas las
etapas sin excepción, manteniendo en ese caso las
mismas condiciones de filtración y sedimentación
según recomendaciones de la literatura [5, 6].
El estudio experimental se desarrolló en cuatro
fases: caracterización del látex natural, estudio
experimental teniendo en cuenta las variables
sensibles en la producción de látex cremado
y determinación del conjunto de variables de
operación que mejoran la calidad del látex cremado
obtenido.
Materiales y reactivos
Varias muestras de látex fresco fueron tomadas
aleatoriamente en la zona de Cimitarra de dos
cultivos y dos clones diferentes (FX 3864 y IAN
710). Su recolección se realizó directamente del
árbol obteniéndose aproximadamente 2L de látex
fresco en total el cual fue llevado hasta el laboratorio
en botellas de vidrio. Durante el almacenamiento
el látex fue estabilizado con amoniaco en solución
(concentración de 20%p, aproximadamente)
que fue adicionado inmediatamente después de
recolección en proporción de 20mL de látex fresco.
Posteriormente, se aseguró un pH igual o superior
a 9 durante el almacenamiento del látex natural
según lo reportado por la literatura [5,6].
Una vez en el laboratorio, el látex recolectado fue
tamizado antes de iniciar el proceso de cremado,
para ello se usó un tamiz No. 20, con el objetivo
de reducir el contenido de impurezas y materia
no caucho. Finalmente, el proceso de cremado
fue realizado por duplicado en tubos de ensayo
utilizando 10ml de látex natural para ello se
utilizaron dos agentes cremadores: alginato de
sodio y carboximetilcelulosa (CMC) en calidad
comercial.
Al terminar el tiempo de cremado deseado se
procedió a realizar un análisis fisicoquímico del
látex concentrado producido. Los análisis se
realizaron bajo los parámetros de las Normas
ASTM e ICONTEC [11].
Plan experimental para el estudio del
procesamiento del látex natural en látex
cremado
Se estableció una serie de experimentos teniendo
en cuenta los siguientes criterios:
Sin separación: El experimento se realiza sin hacer ninguna separación durante el tiempo de cremado establecido, la separación se realiza al cumplir este tiempo y cuando el proceso ha finalizado.
Separación cada dos días: Durante el tiempo de cremado establecido se realiza separación de fases cada dos días hasta finalizar el proceso. El agua contenida en el látex se separa de éste durante el proceso de cremado formándose dos fases; el látex como fase orgánica y el agua. En esas condiciones se realizó la separación de manera manual de las fases observadas, retirando el agua presente en la parte superior del tubo de ensayo de manera periódica.
Siendo el látex natural un compuesto orgánico de fácil degradación por vía bacteriana, como lo reporta en la literatura para bacterias del grupo de Actinomycetes, bacterias termofílicas, bacterias negativas viz. Xanthomonas sps. y Pseudomonas aeruginosas [14-16], se decidió que durante el proceso de cremado se realizaría un seguimiento continuo del pH de la solución con el fin de disminuir el desarrollo microbiano. En consecuencia, se aseguró un pH superior a 9 durante el almacenamiento y el procesamiento del látex, garantizando la estabilidad de éste. El agente utilizado para ello fue el amoniaco, compuesto que fue utilizado después de colecta del látex en las plantaciones de caucho [17]. Existe en la literatura, estudios que confirman la influencia de la concentración de amoniaco en las propiedades del látex natural mostrando el mejoramiento en la estabilidad del látex natural, y por consiguiente la disminución de la coagulación espontánea, cuando éste contiene altas cantidades de amoniaco [18].
Caracterización del látex cremado obtenido
La norma ASTM-1076, referente a los parámetros
de calidad para el látex cremado indica, como
criterios de calidad, el TSC (Solid Total Content) y
DRC (Dry Rubber Content), los cuales no deben ser
inferiores a 66 y 64%p, respectivamente. Además,
la norma prevé cantidades máximas de amoniaco
y metales (cobre y magnesio) de 0,35%p y 8 mg/
kg de materia sólida, respectivamente [6].
Se realizaron los análisis de TSC, DRC, material
no caucho, alcalinidad y contenido de sedimentos
para cada una de las muestras de látex cremado
obtenidas. El procedimiento que se siguió es
el sugerido en las normas ASTM-1076 [6] y se
presenta brevemente a continuación.
Para la determinación de TSC, se pesa
aproximadamente 2,5 ±0,5g de látex, el cual se
esparce homogéneamente en un portamuestras
en vidrio y se agrega aproximadamente 1mL
para mantener la consistencia de unidades de
agua destilada. El portamuestras sin cubrir es
llevado a un horno ventilado con aire durante 2h
a una temperatura de 100°C ± 2°C. Pasado este
tiempo, el portamuestras es cubierto y llevado
a enfriamiento en un desecador a temperatura
ambiente y finalmente pesado. El proceso de
secado y pesado es realizado consecutivamente
hasta que la medida de peso no difiere de máximo
1mg. La diferencia de peso entre el valor obtenido
al final del proceso de secado y el peso original de
la muestra por cien corresponde al porcentaje en
peso de sólidos totales (TSC).
Para la determinación de DRC, se pesa
aproximadamente 10g de látex en un disco en
porcelana y se le adiciona agua destilada hasta un
contenido de sólidos totales de aproximadamente
25%p. Se agrega suficiente ácido acético (2%)
mientras se agita constantemente durante 5
minutos hasta coagular completamente el látex. El
ácido acético utilizado en este estudio corresponde
a grado analítico puriss (80%v).
Posteriormente, el recipiente con la muestra se
dejó reposar a una temperatura de 75°C en un
horno ventilado, un tiempo no mayor a 30 minutos.
Se lava el coágulo con agua destilada y se usa un
rollo de cocina para generar una hoja de caucho de
espesor máximo igual a 2mm. Finalmente se lleva
a un horno ventilado con aire a una temperatura de
70± 2°C. Se repite el secado y se pesa la muestra
constantemente hasta que la diferencia entre
dos medias no sea mayor de 1mg. El porcentaje
en peso de Caucho Seco (DRC) corresponde a
la relación entre la medida de peso obtenida al
final del proceso de secado y el peso inicial de la
muestra de látex por cien.
Para la muestra de látex cremado conteniendo
los mayores porcentajes de TSC y DRC se realizó
una caracterización completa del látex producido
utilizando los procedimientos propuestos en la
norma ASTM-1076. Los valores obtenidos fueron
comparados con los definidos por la norma de
calidad internacional para un látex cremado.
Criterios de selección para el mejoramiento del
proceso de cremado
Para seleccionar las mejores condiciones de
operación del proceso fue necesario realizar un
análisis comparativo de todas las muestras con
el fin de determinar los mayores porcentajes en
contenido de sólidos totales (TSC) y contenido de
caucho seco (DRC). Cabe aclarar que la mayoría
de los estudios realizados en torno a la evaluación
experimental de la concentración de látex natural
utilizan igualmente estas variables de respuesta,
las cuales se comparan con las exigidas por la
norma ASTM-1076 [11,18].
Además de la caracterización del látex, se tuvo en
cuenta igualmente, para la selección de las mejores
condiciones de operación del látex cremado, la
mayor estabilidad, tiempo de obtención de la
mayor cantidad de cremado y mejor consistencia
del látex cremado.
Caracterización del látex natural
Con el fin de comparar y analizar las propiedades
del látex antes y después del cremado, se realizó
una caracterización previa de las muestras de
látex natural como materia prima del proceso de
cremado. En la Tabla 1 se presentan los resultados
obtenidos en la caracterización de la muestra de
látex proveniente de la mezcla de los dos clones
recolectados (FX 3864 y IAN 710). Cada propiedad
fue analizada dos veces, de acuerdo con la Norma
ASTM1076 con una tolerancia en la desviación no
mayor de 0,15% para el TSC y de 0,2% para el
DRC.
La comparación de estos resultados con las
especificaciones técnicas de la Norma ASTM-1076
[6] permite concluir que el látex obtenido en la
región de Cimitarra se clasifica como látex natural
normal preservado. Por otra parte, se observa
que el contenido de material no caucho es muy
elevado, esto posiblemente se debe a la presencia
de suciedad proveniente de la plantación y como
resultado de una mala recolección del látex en
campo.
Un contenido de material no caucho elevado afecta
considerablemente la calidad del látex, según
la norma ASTM-1076 [6]. Por lo tanto se hace
necesario considerar la inclusión de una etapa de
pretratamiento del látex natural, previo al proceso
de cremado, con el fin de favorecer la disminución
del porcentaje de suciedad.
Estudio experimental del proceso de látex
concentrado
El estudio experimental se realizó de acuerdo con
el plan experimental presentado anteriormente.
Los criterios de comparación para definir el
mejoramiento o no de la calidad del látex
corresponden a los dados por las normas ASTM-1076
de un látex cremado [6]. En lo referente a este
estudio, solo se comparó el TSC y el DRC entre
cada uno de los ensayos. Tanto para el primer
como para el segundo criterio, se seleccionaron
aquellos donde el TSC y DRC son superiores, de
acuerdo con la norma de calidad ASTM-1076.
En las Tablas 2 y 3, las filas muestran los resultados
de TSC y DRC, respectivamente, obtenidos con
los dos agentes cremadores utilizados para las
pruebas hechas con y separación de fases cada
dos días y para los cuatro diferentes tiempos de
cremado. Durante las pruebas el pH fue medido
semanalmente.
La Figura 1 presenta los resultados de las pruebas
realizadas sin separación de fases en función
del tiempo de cremado para los dos agentes
cremadores utilizados y en las dos concentraciones
trabajadas. Se puede observar que el aumento del
tiempo de cremado desfavorece el TSC y DRC
contrario a lo que se esperaba, ya que según la
literatura [5,7,10-12] el tiempo de cremado debe
ser de al menos un mes para poder conseguir las
concentraciones exigidas por la norma ASTM-1076
para un látex natural concentrado. La norma impone
los valores de TSC y DRC los cuales deben ser de
66 y 64%p, respectivamente.
Por otra parte, se puede igualmente observar
que existe un efecto negativo, y en ocasiones
inexistente, de la concentración de agente
cremador, principalmente el alginato de sodio,
en la TSC y DRC, lo que permite concluir que
no se identifica influencia de la concentración de
cremador en el rango de concentración estudiado.
De manera general, el experimento que presentó
el mayor valor de TSC y DRC es el realizado con
alginato de sodio 15g/L durante una y dos semana
de cremado, como se logra apreciar en las Tablas 2 y 3.
La disminución del TSC y DRC con el aumento
del tiempo de cremado puede explicarse
principalmente como una descomposición más
que por una coagulación espontánea del látex
durante el transcurso del tiempo de cremado. De
acuerdo con la literatura, el látex natural comienza
un proceso de putrefacción (descomposición
bioquímica) cuando el pH es inferior a 9
[1,3,5,8,11,17]. Por otra parte, la literatura indica
además que para que un látex se mantenga
estabilizado, evitando la coagulación espontánea,
es necesario mantener el pH superior a 4-5 donde
se encuentra su punto isoeléctrico [6,19].
La Figura 2
muestra los resultados obtenidos
de porcentaje de TSC y DRC para las pruebas
realizadas con separación de fases cada dos
días. A partir de la figura se puede observar
que la utilización de una etapa de separación
de fases en periodos de dos días, durante el
tiempo de cremado permitió la obtención de los
más altos valores de TSC y DRC, contrario a lo
generalmente realizado y reportado en la literatura
donde se sugiere un sistema clásico de cremado
con una única separación de fases pasado el
tiempo total de cremado [1,5,8]. Además se
logró mantener casi constante el porcentaje en
TSC y DRC desde tiempos de cremado de 1
semana hasta 4 semanas, principalmente para
las pruebas realizadas con alginato de sodio y a
concentraciones de 15g/L.
El seguimiento del pH para las pruebas sin
separación de fases durante el tiempo de cremado,
muestran una evolución del pH con respecto al
tiempo, especialmente para los ensayos realizados
con la CMC, esto en tiempos prolongados de
cremado (Figura 3).
De acuerdo con la literatura, sólo los ensayos
cubiertos por el cuadro gris mostrado en la Figura 3
presentan un pH por encima de 9, es decir que para
estas pruebas, el látex, en proceso de cremado,
tuvo menos posibilidad de sufrir descomposición o
de coagulación espontánea.
Estas pruebas corresponden a las realizadas
con el alginato de sodio, siendo la de menor
concentración de agente cremador quien
presenta la mejor estabilidad. Por otro lado, el
experimento menos estable es el realizado con
CMC a concentración de 25g/L, el cual presentó
disminución acelerada de pH, desde la segunda
semana de cremado. Confirmando el efecto nocivo
de la degradación del látex (seguida con el pH) en
la calidad del látex cremado medido por medio del
TSC y DRC (ver Figura 1).
De acuerdo con esto, la utilización de la CMC
estaría acelerando el proceso de putrefacción del
caucho a diferencia de los ensayos realizados con
el alginato de sodio, lo que permite pensar que la
presencia de un agente cremador orgánico no es
ventajoso, desfavoreciendo el proceso de cremado
del látex natural.
El ensayo más estable es el realizado con alginato
de sodio a concentración de 15g/L, que no presentó
cambio de pH durante las cuatro semanas de
cremado.
Determinación del conjunto de variables de
operación que mejoran la calidad del látex
cremado
Según los resultados obtenidos en los dos tipos
de estudio: con y sin separación de fases, el
agente cremador que presentó mejor estabilidad,
conservación y porcentajes mayores de TSC y
DRC es el alginato de sodio a 15g/L, con tiempos
menores o iguales a 2 semanas. De acuerdo con
este estudio, las condiciones de operación que
mejoran el procesamiento del látex natural en látex
concentrado son:
De acuerdo con lo observado durante este estudio
podemos concluir que la utilización de un agente
cremador orgánico como la CMC no resulta viable
en el proceso de cremado del látex natural ya que
éste parece acelerar el proceso de descomposición
del látex.
Por otra parte, los limites inferiores recomendados
para la concentración de agente cremador según la
literatura permiten obtener látex cremado de mejor
calidad que en concentraciones más elevadas. Esto
tiene grandes ventajas económicas y ambientales,
puesto que por un lado disminuye los costos de
operación y segundo disminuye la cantidad de
compuestos inorgánicos nocivos presentes en
los efluentes propios del procesamiento del látex
natural.
Igualmente, se determinó por medio de este
estudio que los tiempos de cremado no deben
ser prolongados puesto que no permiten el
mejoramiento de la calidad del látex cremado
final trayendo consigo ventajas económicas
importantes. En el caso de estudio, se propone un
tiempo de cremado no superior de 2 semanas.
Además, los resultados de este estudio ponen en
evidencia la importancia de implementar una etapa
de separación simultánea al proceso de cremado
en el mejoramiento de la calidad del látex cremado
obtenido, contrario a lo propuesto en la literatura
donde se propone una etapa de separación una
vez finalizado el tiempo de cremado indicado.
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