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Title:	Revalorización de los residuos del banano para la obtención de Nanocelulosa Bacterial: Desarrollo de empaques para usos Agroindustrial y su análisis de ciclo de vida
Authors:	Ramírez, Ángel Diego, Director Fiallos Cárdenas, Manuel Alejandro
Keywords:	Banano biorrefinería Sostenibilidad Análisis de ciclo de vida Nanocelulosa bacteriana Bioplástico Residuos lignocelulósicos
Issue Date:	2024
Publisher:	ESPOL.FCV
Citation:	Fiallos Cárdenas, M. A. (2024). Revalorización de los residuos del banano para la obtención de Nanocelulosa Bacterial: Desarrollo de empaques para usos Agroindustrial y su análisis de ciclo de vida. [Tesis de Doctorado]. ESPOL.FCV .
Description:	El interés en la nanocelulosa bacteriana (NCB) ha crecido debido a su alta pureza, excelentes propiedades mecánicas y compatibilidad biológica. Sin embargo, la producción industrial de NCB enfrenta desafíos relacionados con el elevado costo de las fuentes de carbono y nitrógeno para la fermentación. En este contexto, las hojas y raquis de banano desechadas durante la cosecha presentan una oportunidad valiosa como fuentes de nutrientes. Este estudio se enfoca en la revalorización de los residuos lignocelulósicos del banano para la obtención de NCB y el desarrollo de empaques para uso agroindustrial, además de realizar un análisis de ciclo de vida (ACV). Para caracterizar las propiedades estructurales, térmicas y morfológicas de la NCB, se emplearon técnicas como espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (XRD) y análisis termogravimétrico (TGA). La optimización del proceso se llevó a cabo mediante el diseño Box-Benhken, obteniendo un modelo con un R² ajustado de 99,78%, y un rendimiento de 8,82 g/L de NCB en peso seco al día 14. Adicionalmente, se utilizó almidón de cáscara de banano y NCB para sustituir parcialmente el polietileno de baja densidad (PEBD), empleando el diseño Simplex-Centroide. El modelo optimizado mostró un R² ajustado de 99,89%. La caracterización de los grupos funcionales mediante FTIR indicó que la película de base biológica es comparable a la película de PEBD. En particular, se encontró que el potencial de calentamiento global del bioplástico (2,06kg CO2-eq) es inferior al del PEBD (2,67 kg CO2-eq). El análisis financiero revela que, con una inversión inicial total de 3.016.633 dólares, se proyecta generar ingresos anuales de 1.092.025,97 dólares. Esta proyección se basa en la producción y venta de biopelículas de NCB, una bebida análoga al té de kombucha y pellets de fibra. Los ingresos se estiman bajo la premisa de venta completa de los productos, con un margen bruto del 58,25% y un retorno de la inversión del 12,50%. La tasa interna de retorno (TIR) después de impuestos es del 16,93%, y el tiempo de amortización es de 4,75 años, indicando una recuperación rápida de la inversión inicial. La producción de bioplástico a partir de NCB tiene un costo de 0,97 $/kg, con un precio de venta de 1,20 $/kg, logrando una utilidad del 24%, comparable al costo del PEBD. La estrategia de utilizar una biorrefinería maximiza las ventajas ambientales y económicas del proceso biotecnológico. Este enfoque resalta el uso de residuos del banano como una solución circular para la producción de NCB y plásticos de base biológica, fomentando la sostenibilidad en el cultivo del banano y contribuyendo a los Objetivos de Desarrollo Sostenible. Palabras claves: Banano, biorrefinería, sostenibilidad, análisis de ciclo de vida, nanocelulosa bacteriana, bioplástico, residuos lignocelulósicos
metadata.dc.description.abstractenglish:	Interest in bacterial nanocellulose (NCB) has grown due to its high purity, excellent mechanical properties, and biological compatibility. However, the industrial production of NCB faces challenges related to the high cost of carbon and nitrogen sources for fermentation. In this context, banana leaves and rachis discarded during harvest present a valuable opportunity as nutrient sources. This study focuses on the valorization of banana lignocellulosic waste for NCB production and the development of packaging for agro-industrial use, as well as conducting a life cycle assessment (LCA). To characterize the structural, thermal, and morphological properties of NCB, techniques such as Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and thermogravimetric analysis (TGA) were employed. The process was optimized using the Box-Behnken design, achieving a model with an adjusted R² of 99.78% and a yield of 8.82 g/L of dry-weight NCB by day 14. Additionally, banana peel starch and NCB were used to partially replace low-density polyethylene (LDPE) using the Simplex-Centroid design. The optimized model showed an adjusted R² of 99.89%. FTIR characterization indicated that the bio-based film is comparable to the LDPE film. Specifically, it was found that the global warming potential (GWP) of the bioplastic (2.06 kg CO2-eq) is lower than that of LDPE (2.67 kg CO2-eq). The financial analysis reveals that, with a total initial investment of $3,016,633, annual revenues are projected to reach $1,092,025.97. This projection is based on the production and sale of NCB biopellets, a kombucha-like beverage, and fiber pellets. Revenues are estimated under the assumption of full product sales, with a gross margin of 58.25% and a return on investment of 12.50%. The internal rate of return (IRR) after taxes is 16.93%, and the payback period is 4.75 years, indicating a rapid recovery of the initial investment. The production of bioplastic from NCB is optimized at a cost of $0.97/kg, with a selling price of $1.20/kg, achieving a 24% profit margin, comparable to the cost of LDPE. The strategy of using a multiproduct biorefinery maximizes the environmental and economic advantages of the biotechnological process. This approach highlights the use of banana waste as a circular solution to produce NCB and bio-based plastics, promoting sustainability in banana cultivation and contributing to the Sustainable Development Goals. Keywords: Banana, multiproduct biorefinery, sustainability, life cycle analysis, bacterial nanocellulose, bioplastic, lignocellulosic residues
URI:	http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/62415
metadata.dc.identifier.codigoproyectointegrador:	FCV-POSTG007
Appears in Collections:	Tesis de Doctorado en Biociencias Aplicadas

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