Equipo [Preparatoria GEA - Noveno grado] Emily Sarai García Olvera[9A], Lucy Esmeralda Soto Amaro[9C]
La carboximetilcelulosa (o CMC) es un polímero derivado de la celulosa. Es biodegradable y de producción sustentable ya que para su elaboración se utilizan residuos de la industria agrícola y alimentaria. Este compuesto se ha utilizado para elaborar distintos materiales que exhiben propiedades como alta viscosidad, maleabilidad y solubilidad en agua. En este proyecto exploramos distintos procedimientos para elaborar polímeros basados en carboximetilcelulosa con distintos agentes plastificantes orgánicos y aditivos para generar materiales que funcionen como alternativas a los plásticos derivados del petróleo. Para explorar su viabilidad realizamos pruebas de solubilidad, resistencia física y flexibilidad. Los polímeros elaborados con carboximetilcelulosa representan una alternativa a los plásticos comerciales por su nula toxicidad y capacidad de absorción en el ambiente, brindando así una alternativa sustentable a los polímeros comerciales.
Carboxymethylcellulose (CMC) is a polymer derived from cellulose. It is biodegradable and sustainably produced, since its manufacture uses residues from the agricultural and food industries. This compound has been employed to create various materials that exhibit properties such as high viscosity, malleability, and water solubility. In this project, we explore different procedures to develop polymers based on carboxymethylcellulose with various organic plasticizing agents and additives, aiming to generate materials that can serve as alternatives to petroleum-derived plastics. To assess their viability, we conducted solubility, physical resistance, and flexibility tests. Polymers made with carboxymethylcellulose represent an alternative to commercial plastics due to their non-toxicity and environmental absorption capacity, thus providing a sustainable option compared to conventional polymers.
Carboximetilcelulosa mochipa celulosa. Quemaquixtia ipan tlaltikpak pampa quichihuah ipan tlahuelilocayotl. Quipiya hueyi tlachiyotl: hueli quixeloa ipan atl, hueli quimahuiztiz huan hueli quipiya tlachiyotl. Inin polímeros amo quipiyah tlachiyotl tlen petróleo, amo quimahuiztiz huan hueli quixeloa ipan tlaltikpak. Sustentable huan amo toxico.
En este proyecto realizamos bioplásticos a base de carboximetilcelulosa (o CMC) y distintos agentes plastificantes de origen vegetal. Para realizarlos mezclamos CMC con distintos aditivos a concentraciones constantes y realizamos pruebas de resistencia física, solubilidad y maleabilidad para comparar el efecto de los aditivos sobre dichas propiedades físicas. La finalidad de este proyecto es brindar una perspectiva sobre el uso de bioplásticos elaborados con CMC como alternativa biodegradable a los plásticos convencionales y como los distintos aditivos alteran las propiedades de los materiales obtenidos.
Es un hecho conocido que los plásticos representan una fuente de contaminación importante a nivel mundial. Los plásticos se encuentran en prácticamente todos los ecosistemas y el impacto que tienen va desde afectaciones en el crecimiento de la flora y fauna, efectos tóxicos por su ingesta o producción, hasta efectos socioeconómicos que afectan la calidad de vida de las personas. (Pilapitiya y Ratnayake, 2024).
Incluso conociendo estos efectos, se estima que en el 2022 se produjeron 400.3 millones de toneladas de plástico (Pilapitiya y Ratnayake, 2024) y se espera que la producción crezca de manera exponencial a pesar de que existe el compromiso por parte de la Organización de las Naciones Unidas (ONU) de la “reducción significativa de los productos plásticos de un solo uso para el año 2030” (ONU, 2019).
De acuerdo a un reporte realizado en el 2021, de los residuos plásticos que se generan, solo el 10% se recicla globalmente (Castro Reyna y Da Silva, 2024) y se estima que el 80% de los plásticos producidos se acumulan en el ambiente (Pilapitiya y Ratnayake, 2024).. Por lo tanto, existe la necesidad de encontrar alternativas sustentables y con menor impacto ambiental que puedan ser implementadas para reducir su efecto en el ambiente.
De acuerdo con la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC por sus siglas en inglés) un plástico es un “material polimérico que puede contener otras sustancias que mejoran su desempeño y/o reducen sus costos” (Pilapitiya y Ratnayake, 2024). Estos materiales normalmente son producidos utilizando compuestos orgánicos sintéticos o semisintéticos de origen petroquímico o de fuentes parcialmente naturales y debido a su plasticidad, bajo peso y resistencia térmica son utilizados en la industria alimentaria, médica y textil (Pilapitiya y Ratnayake, 2024). Sin embargo presentan una capacidad limitada para degradarse por su alta estabilidad y durabilidad, que combinado con su ciclo de vida corto hace que se acumulen en el ambiente.
Dentro de la clasificación de los plásticos existen los llamados bioplásticos, que consisten en aquellos que son elaborados al menos parcialmente de recursos naturales, como aceites y productos de origen vegetal, que presentan propiedades similares pero que pueden ser metabolizados por distintos organismos formando dióxido de carbono o integrandolos en biomoléculas en un proceso llamado degradación biológica (Pilapitiya y Ratnayake, 2024), evitando así su acumulación en el ambiente.
Un material que ha sido estudiado por su capacidad de degradación biológica es el CMC. El CMC es un derivado de la celulosa, sin olor ni sabor, soluble en agua y nula toxicidad (Tyagi y Thakur, 2023). Para obtener este compuesto se utiliza como materias primas residuos vegetales agrícolas y ha sido utilizado en múltiples industrias como la alimentaria, cosmética, farmacéutica y de la construcción (Rahman et al, 2021). Sin embargo en estado puro el CMC tiene limitaciones como baja fuerza mecánica, estabilidad térmica y flexibilidad, por lo que se ha buscado combinarlo con otras sustancias que permitan sobrellevar estas desventajas (Tyagi y Thakur, 2023).
Por su versatilidad y fácil acceso, se ha explorado la posibilidad de uso de esta sustancia en el empaquetamiento de alimentos, la industria agrícola y textil, brindando una opción de alta calidad, fácil acceso y bajo impacto ambiental.
Existen proyectos en los que se ha utilizado CMC con distintas finalidades. Aquí se enumeran algunos.
1.- Fibras de carboximetilcelulosa con aplicaciones como aditivo en industrias alimentarias y cosméticas. Muramatsu T., Nakagawa, K., Nakagawa T., Kawasaki, T., Kawasaki, K., Haruo K. 2018. Japón. Patente JP6727243B2.
2.- Composición estabilizadora elaborada con microcápsulas de celulosa y carboximetilcelulosa. Zheng, T., Gerard Lynch, M., Sestrick, M., Yaranossian, N. 2018. Estados Unidos. Patente US10299501B2.
3.- Método de producción de hidrogeles a base de carboximetilcelulosa con alta elasticidad y absorbencia. Sannino, A., DeMituli, C. Z., Ishayes, L., Long, E.R.S., Hand, E.J., Hand, B.J. 2018. Japón. Patente JP6847841B2.
4.- Geles poliméricos a base de carboximetilcelulosa y ácido cítrico. Sannino, A., Ambrosio, L.., Nicolais, L., Demitri, C., 2014. Rusia. Patente. RU2641749C2.
5.- Materiales adhesivos para la construcción compuestos por hidrocoloides de carboximetilcelulosa. Nordby y Ciok. 2015. Estados Unidos Patente US8951237B2.
6.- Método de unión de superficies utilizando compuestos derivados de grenetina y CMC. Hjelmgor et al. 2020. Rusia. Patente RU2739066C2
7.- Proceso para generar materiales de recubrimiento compuestos con fibras de celulosa y CMC. Aulin et al. 2018. Estados Unidos. Patente US101385.
8.- Película comestible soluble en agua elaborada con carboximetilcelulosa. Lee, D. M., Childers, J.L. 2021. Estados Unidos. Patente US20210087365A1.
9.- Películas hidrolíquidas solubles elaboradas con carboximetilcelulosa. Salumae, M., Kangur, K., 2022. Estados Unidos. Patente. US20220144517A1.
10.- Modificador de viscosidad elaborado con carboximetilcelulosa. Kazuhiko, I., 2016. Japón. Patente JP6724289B2.
Para la elaboración de este proyecto realizamos un procedimiento experimental durante los meses de enero y febrero del 2026 en las instalaciones de Preparatoria GEA, con medidas de seguridad adecuadas e insumos provistos por los alumnos y la institución. El procedimiento fue el siguiente.
1.- Preparación de solución de CMC. De acuerdo a las especificaciones marcadas por Tyagi y Thakur (2023) se preparó una solución stock utilizando CMC y agua destilada con una concentración al 1% p/v. Se prepararon 500 mL de solución en un vaso de precipitado calentando el agua con una parrilla eléctrica hasta que estuviera cercana al punto de ebullición. Una vez que el agua alcanzara la temperatura adecuada se procedió a agregar el CMC lentamente y remover la solución con un agitador magnético a aproximadamente 3000 rpm. Mientras se agitaba la solución se agregó aceite de orégano como agente antimicrobiano natural (2 gotas por cada 100 mL de solución). Cuando la solución adquiere una consistencia espesa se pausó la agitación y se utilizó una espátula metálica para eliminar los grumos que se formaron.
Figura 1. Preparación de los aditivos que se utilizaron para la elaboración de bioplásticos
2.- Elaboración de muestras. Se prepararon 7 muestras utilizando diferentes aditivos y para su elaboración se tomaron 100 mL de la solución stock previamente preparada y mientras seguía caliente se le colocó 1g de uno de los siguientes aditivos: glicerina, alcohol cetílico, alcohol polivinílico, grenetina, agar agar, y gel comercial. Se dejó una muestra sin aditivos como muestra de control y a cada muestra se le agregó colorante vegetal para una fácil identificación. Cada muestra se colocó en charolas cuadradas de aluminio previamente engrasadas con aceite vegetal con dimensiones de 10 cm de largo por 10 cm de ancho y 2 cm de altura. La tabla 1 contiene la relación de las muestras con los colores elegidos para su identificación. Una vez vertidas las mezclas en los moldes se procedió a un periodo de secado al aire de 5 días hasta que las muestras quedarán firmes y pudieran ser desprendidas fácilmente.
Tabla 1. Aditivos utilizados para la elaboración de bioplásticos
3.- Pruebas físicas. Una vez pasado el periodo de secado se procedió a realizar las siguientes pruebas.
Figura 2. Prueba de maleabilidad.
Figura 3. Prueba de resistencia física.
Figura 4. Prueba de solubilidad.
Los resultados de las muestras se pueden consultar en las figuras 5 y 6. La figura 5 se observa los resultados con las muestras a las que se les incorporó el CMC y la figura 6 muestra las que solo tenían aditivos y se aprecia que las muestras con CMC tienen una consistencia más sólida y homogénea. Con la excepción de las muestras que contenían agar agar y grenetina, las muestras sin CMC permanecieron en un estado acuoso y no pudieron ser utilizadas para pruebas posteriores. Esto muestra que los aditivos no tienen efecto en la formación de los bioplásticos por sí mismos y se requiere de CMC para la formación de estos.
Figura 5. Muestras elaboradas con CMC y aditivos.
Figura 6. Muestras elaboradas solo con aditivos.
La tabla 2, 3 y 4 contienen los resultados de las pruebas de maleabilidad, resistencia física y solubilidad respectivamente. En las pruebas de maleabilidad la mayoría de las muestras puede doblarse, con la excepción de la elaborada con agar agar y las que se rasgaron al doblarse corresponden a la del alcohol cetílico y gel comercial. Al estirarlas la que presenta mayor elasticidad es la de glicerina. En las pruebas de resistencia física el resultado tiene un rango que va desde menos de 250 g (CMC y gel comercial) a mayor de 3250 g (agar agar) En el caso de las pruebas de solubilidad la mayoría a los 4 minutos se disolvió en agitación constante con la excepción de la muestra de agar agar que a los 10 minutos no se disolvió. La mayoría de las muestras no dejó residuos al momento de disolverse con la excepción del alcohol cetílico y el agar agar. En los anexos (figura 8) pueden consultarse las observaciones realizadas de las muestras con respecto a su textura y las descripciones realizadas.
Tabla 2. Resultados de la pruebas de maleabilidad
Tabla 3. Resultados de la pruebas de resistencia física.
Tabla 4. Resultados de la pruebas de solubilidad
Las características físicas de los materiales se asemejan a distintos tipos de plásticos. El caso del materiales elaborados sólo con CMC y grenetina son comparable con el polipropileno, mientras que el que se obtuvo con alcohol polivinílico tiene una sensación parecida al polietileno de alta densidad, similar al que se utiliza en bolsas para almacenar alimentos; el compuesto al que se le agrego glicerina comparte características con el llamado “papel film” que está compuesto de polietileno de baja densidad y el obtenido con alcohol cetílico comparte una similitud con el papel encerado, que normalmente está elaborado con papel cubierto de parafina. Esto muestra la versatilidad del CMC y que es posible replicar diferentes características físicas de los plásticos sintéticos agregando distintos aditivos biodegradables.
Estas comparaciones nos permiten vislumbrar posibles aplicaciones de los distintos bioplásticos obtenidos. Debido al corto periodo de vida y la alta solubilidad del compuesto un uso que creemos que puede ser viable es el de plásticos de un solo uso, en particular los que se usan para el empaquetado de alimento y materiales de transporte que, de acuerdo a Pilapitiya y Ratnayake (2024) representa el 40% del uso de plásticos de un solo uso.
Sin embargo, para estudiar la viabilidad de estos compuestos como alternativa a los plásticos convencionales es necesario realizar pruebas de concepto y prototipos con los diferentes materiales para examinar el tiempo de vida y capacidad de preservar su forma y la integridad del material.
Fue posible obtener bioplásticos a base de CMC utilizando una concentración al 1% p/v y se mostró que el uso de distintos aditivos alteran la apariencia, maleabilidad, resistencia física y solubilidad. Creemos que estos materiales podrían ser utilizados para sustituir plásticos de origen petroquímico en aplicaciones como el empaquetado de alimentos y materiales de transporte, haciendo de estos una alternativa de menor impacto ambiental y de origen sustentable por el origen de los compuestos.
P.G.C. Nayanathara Thathsarani Pilapitiya y A.S. Ratnayake. 2024. The world of plastic waste: A review. Cleaner Materials 11: 100220. DOI https://doi.org/10.1016/j.clema.2024.100220
Organización de las Naciones Unidas. 2019. Compromiso mundial para la reducción de plásticos de un solo uso. Consultado el 1 de marzo de 2026 en: https://news.un.org/es/story/2019/03/1452961
Castro Reyna, O. y L. Da Silva. 2024. Panorama de la crisis de contaminación plástica ¿Y los plásticos biodegradables?. Consultado el 1 de marzo de 2026 en: https://ciencia.unam.mx/leer/1543/panorama-de-la-crisis-de-contaminacion-plastica-y-los-plasticos-biodegradables-
Tyagi, V. y A. Thakur. 2023. Applications of biodegradable carboxymethyl cellulose-based composites. Results in Materials (20): 100481. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rinma.2023.100481
Rahman, S., Hasan, S., Nital, A. S., Nam, S., Karmakar, A. K., Ahsan, S., Shiddiky, M. J. A., Ahmed, M. B. 2021. Recent developments in carboxymethyl cellulose.Polymers 13 (8), 1345.
