FERTILIZANTE INTELIGENTE

                                            UNIVERSIDAD DE ORIENTE

                                            NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI

                           ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS

                         DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

                          COMISIÓN DE TRABAJO DE GRADO

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FORMULACIÓN DE MACROESFERAS BIOPOLIMÉRICAS DE UREA EMPLEANDO HIDROGELES DE QUITOSANO Y ALMIDÓN PARA SU POTENCIAL APLICACIÓN COMO FERTILIZANTE DE LIBERACIÓN CONTROLADA

Presentado por:

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  Br. Richard R. Urbano D.        Br. Micelys J. Bermúdez N.

       C.I: 26.256.676                 C.I: 26.688.436

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Ing. Yraima Salas

Asesor académico

   Puerto La Cruz, julio de 2022        

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Por muchos años se han utilizado a los fertilizantes como una herramienta para mantener o incrementar el contenido de nutrientes en el suelo y estimular el crecimiento de las plantas, sin embargo, con el paso del tiempo y el aumento desmedido de la población mundial se ha visto la necesidad de cambiar el simple abono o compost natural por otro tipo de productos que reporten mejores resultados con respecto a la cantidad y velocidad de crecimiento de las plantaciones.  

Es en este escenario cuando aparecen los fertilizantes artificiales, que desde 1840 han contribuido al rendimiento de los cultivos y ocupado un papel estelar en la agricultura moderna. A pesar de lo beneficioso que esto puede resultar para la agricultura, la aplicación excesiva de los fertilizantes minerales solubles, y el mal manejo de sus deshechos, ha dado como resultado una serie de problemas ambientales graves, tal es el caso de: eutrofización en ríos y lagos, contaminación de aguas subterráneas, contaminación del aire, degradación de los suelos y los ecosistemas, desequilibrio biológico, variación de pH y reducción de la biodiversidad.

Como respuesta a esta problemática surgen los fertilizantes de liberación lenta, controlada y estabilizados (SCRSF por sus siglas en inglés), los cuales se han convertido en una alternativa para disminuir las pérdidas de elementos minerales en el sistema suelo-planta-atmósfera, ocasionadas por fenómenos como: lixiviación, volatilización, escorrentía y desnitrificación. Estos productos, también llamados “fertilizantes inteligentes”, abandonan la forma granular soluble clásica y se incorporan en cápsulas especiales, lo cual les da la posibilidad de tener diversas funciones, ya sea liberar de forma gradual y equilibrada la sustancia o en los casos más sofisticados la distribución selectiva de sustancias basada en las condiciones específicas del suelo. Los fertilizantes inteligentes son capaces de reaccionar a variables como la humedad, la temperatura y la acidez, limitando así en gran medida su presencia en el suelo y la obligada intervención humana.

La mayoría de los fertilizantes de liberación controlada utilizados a nivel comercial son fertilizantes comprimidos que han sido recubiertos con azufre o un polímero. En los últimos años se han generado formulaciones utilizando polímeros hidrofílicos biodegradables como el alginato y la pectina, entre otros, o utilizando sistemas matriciales no biodegradables preparados con nylon o formaldehido, sin embargo, muchos de estos no han llegado a comercializarse en forma masiva, principalmente por su alto costo de producción o porque generan una contaminación asociada al hecho de no ser del todo biodegradables.

Como alternativa, se ha explorado el uso de hidrogeles preparados a partir de matrices poliméricas naturales que ya han sido utilizados en numerosas aplicaciones relacionadas con las áreas biomédica, agrícola, ambiental y farmacéutica. Los hidrogeles poseen una estructura tridimensional capaz de retener una gran proporción de agua, soluciones o fluidos biológicos. El uso de hidrogeles biodegradables como sistemas de liberación controlada de fertilizantes químicos y biológicos, permitiría optimizar el manejo del agua, reducir los costos relacionados con la mano de obra para realizar el riego, minimizar las pérdidas de fertilizante químico, suministrar nutrientes a las plantas durante períodos prolongados, disminuir la frecuencia de aplicación del agroquímico y minimizar los potenciales efectos negativos asociados con la sobredosificación y la lixiviación.

Partiendo de la necesidad de desarrollar productos que aporten diversidad a las opciones disponibles actualmente en el mercado y de lo importante que resulta la implementación de materias primas naturales, surge este proyecto de investigación que busca formular un nuevo fertilizante de liberación controlada, cuyo modo de presentación serán macroesferas biopoliméricas hechas con hidrogeles de quitosano, proveniente de los algas marinas o exoesqueletos de crustáceos, y de almidón, obtenido del maíz y de la yuca; tomando como ventaja para la adquisición de estos materiales la envidiable ubicación de la zona norte del estado Anzoátegui en donde convergen el llano y la costa.

El fertilizante convencional que se empleará como componente principal de estas macroesferas será urea, también conocida como carbamida y cuya formula química es: CO(NH2)2, la cual constituye una importante fuente de nitrógeno para los cultivos, sin embargo, por sí sola no es tan estable como otros fertilizantes nitrogenados sólidos y se descompone a temperatura ambiente, en particular en una atmósfera húmeda, liberando amoníaco y dióxido de carbono, lo que provoca daños al medio ambiente. Es por ello que un recubrimiento biopolimérico de la misma crea un microambiente capaz de controlar las interacciones entre la parte interna y externa de la cápsula, aumentando el aprovechamiento del producto y reduciendo los deshechos asociados con el mismo.

Para realizar una formulación efectiva de este fertilizante potencial será necesario iniciar por la identificación de las distintas técnicas y métodos experimentales que se pueden utilizar para la síntesis del mismo, considerando las variables que juegan un papel vital en cada uno con el fin de determinar cual resulta más idóneo o beneficioso para los fines de este proyecto. Una vez aclarado el paso anterior se podrán elaborar distintas macroesferas biopoliméricas de fertilizante, para ello se deben realizar variaciones en la concentración de los componentes de la mezcla de polímeros de tal manera que se pueda dar con la combinación idónea y obtener macroesferas no solo estables sino eficaces.

De igual manera resultará preciso hacer una caracterización del fertilizante preparado, mediante pruebas que permitan analizar su estructura, composición y las propiedades fisicoquímicas del mismo, para comprobar que se ajusta a los estándares y normativas que regulan la fabricación de estos productos. Por último, se deberá comprobar la eficiencia del producto al comparar su actuación con la de un fertilizante convencional, todo esto a través de experiencias de laboratorio y de campo, para verificar, entre otras cosas, la evolución de la concentración acumulada del agente activo liberado en función del tiempo.

La agricultura venezolana ha decaído en los últimos años y cada vez resulta más necesario evolucionar la forma en que se producen los alimentos en este país, realizando un giro a la agricultura orgánica y sustentable, alejada de la dependencia de agroquímicos sintéticos, y que garantice la salud de los suelos y los ecosistemas. En este cambio de paradigmas, realizar un fertilizante de liberación controlada que no solo ofrezca respuestas a las demandas ecológicas, sino que también resulte productivo, se vuelve un tema de investigación más que necesario y que sin duda aporta un grano de arena al planteamiento de soluciones viables que ofrezcan un cambio a la dinámica actual de la nación.

1. OBJETIVOS

1. Objetivo general

Formular macroesferas biopoliméricas de urea empleando hidrogeles de quitosano y almidón para su potencial aplicación como fertilizante de liberación controlada.

1. Objetivos específicos

1. Identificar la aplicabilidad de distintos métodos y las variables de interés asociadas con los mismos para la preparación de matrices biopoliméricas en fertilizantes de liberación controlada.
2. Elaborar diferentes macroesferas biopoliméricas de fertilizante mediante variaciones en la composición final de la mezcla de quitosano, almidón y urea.
3. Analizar la estructura, composición y propiedades fisicoquímicas de las macroesferas de fertilizante elaboradas.
4. Comparar la efectividad de las macroesferas de fertilizante obtenidas con el desempeño de fertilizantes convencionales disponibles en el mercado.

3. MARCO TEORICO

3.1. Antecedentes

Como punto de partida para llevar a cabo el proyecto resulta preciso tomar como fuente de inspiración y conocimiento las experiencias vividas por diversos profesionales a nivel mundial que se han planteado el reto de sumergirse en el mundo de los fertilizantes de liberación controlada y que desarrollaron proyectos de investigación con técnicas y metodologías sumamente útiles. Los trabajos de investigación considerados como relevantes y que servirán como antecedentes del proyecto se presentan a continuación.

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