UNIVERSIDAD DE COSTA RICA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA Análisis de los requerimientos y características de materiales poliméricos de empaque en el sector de la industria de alimentos en Costa Rica Proyecto de graduación sometido a la consideración de la Escuela de Ingeniería Química Como requisito final para optar por el grado de Licenciatura en Ingeniería Química Juliana Da Luz Castro Ciudad Universitaria Rodrigo Facio San José, Costa Rica 2015 TRIBUNAL EXAMINADOR Proyecto de graduación sometido a consideración de la Escuela de Ingeniería Química como requisito final para optar por el grado de Licenciatura en Ingeniería Química Sustentante: Aprobado por: Ing. .E;stetran-9YciQHerrera, Ph.D. Profesor-catedrático Escuela de Ingeniería Química M au(erl (¿('Jo~ lng. Maureen Córdoba Pérez Profesora Escuela de Ingeniería Química Juliana Da Luz Castro Centro de Investigaciones Agronómicas Lic. Natalia Profesora Escuela de Ingeniería Qllintica (~ __ J7b@ ) lng. Jenny Calder~11 Ca~ro Profesora Escuela de Ingeniería Química Presidente del Tribunal Directora del proyecto Lectora del proyecto Lectora del proyecto Miembro Invitado iii EPÍGRAFE “Todos somos genios, pero si juzgas a un pez por su habilidad de trepar a los árboles, vivirá toda su vida pensando que es un inútil.” Albert Einstein v DEDICATORIA A mi familia vii AGRADECIMIENTOS Primeramente a Dios por ser mi guía en todo lo que hago. A mi familia, por su apoyo incondicional en todo momento. A Andrés y su familia por todo el apoyo y la ayuda cuando más la necesité. A los entrevistados por su tiempo y cooperación. A doña Marta y Maureen por sus correcciones y sugerencias. A Natalia por su apoyo y comprensión. A don Manuel por sus consejos y toda la ayuda en el proyecto. A mis amigos por hacer más agradable el proceso de aprendizaje. A los profesores por su ayuda y por todo lo que me enseñaron. Finalmente, a todas las personas que de una u otra forma estuvieron presentes durante esta etapa de mi vida. ix RESUMEN El principal objetivo del proyecto fue analizar la oferta, requerimientos y características de materiales poliméricos de empaque en el sector de la industria de alimentos en Costa Rica. A partir de este trabajo se pretenden comparar las capacidades de los polímeros de empaque con el uso que reciben en la industria. Primeramente se realizó una amplia investigación bibliográfica de las propiedades de los polímeros de uso común en el empaque de alimentos. Estos son: polietileno tereftalato (PET), polietileno de alta densidad (HDPE), polietileno de baja densidad (LDPE), policloruro de vinilo (PVC), polipropileno (PP), poliestireno (PS), poliamidas (PA), específicamente nylon 6, alcohol etilenvinílico (EVOH), poliuretano (PU) y celofán. Se generó un instrumento para la recopilación de información con el propósito de obtener información primaria acerca de la selección de empaques y problemas específicos en la industria. Este fue aplicado en dos empresas representativas de cada uno de los siguientes sectores de la industria de alimentos: industria de elaboración de bebidas no alcohólicas, industria de elaboración de aceites y grasas de origen animal y vegetal, industria de elaboración de productos lácteos, industria de procesamiento y conservación de frutas y hortalizas, industria de elaboración de cacao, chocolate y productos de confitería e industria de elaboración de productos de panificación y en una empresa del sector de procesamiento y conservación de carnes. Entre la información obtenida de las entrevistas destaca que en el sector de frutas y hortalizas, se utilizan bolsas de LDPE con atmósfera modificada y bandejas de PP para el empaque de ensaladas y lechugas precortadas, bolsas laminadas (doypack®) y bandejas de PET para frutas precortadas, bandejas de PS con film de PVC para frutas y verduras enteras y bolsas cryovac® para el empaque de vegetales precortados al vacío. En el caso del sector de producción y empaque de chocolates, se utilizan bolsas de LDPE y doypack® para productos utilizados como materia prima y celofán y PP metalizado para tabletas y chocolates pequeños. Con respecto al sector de procesamiento y conservación de embutidos, se utilizan varios laminados multicapa con nylon, EVOH, poliéster, PE y PA que el proveedor recomienda según los requerimientos del producto. Para el sector de bebidas no alcohólicas sin carbonatación, se usan envases de PET con tapas rosca de HDPE y envases de HDPE con tapa presión de LDPE. En el sector de producción y envasado de aceite líquido se utilizan envases de PET y envases de HDPE. Para el caso del sector de producción y empaque de grasas sólidas, se utilizan empaques de PP y HDPE. En el caso del sector de elaboración de lácteos, se utiliza HDPE para leche en galones, yogurt líquido, helados y volúmenes grandes de natilla, PS para el yogurt, la mantequilla, la natilla, el queso crema, el queso cottage y los helados pequeños y utilizan una serie de empaque laminados multicapa. Para la industria de panificación y galletería, se utilizan bolsas de PP en monocapa y multicapa y bandejas de PET y PS. Una vez analizada la información recopilada, se comparó con la información obtenida de la bibliografía, de donde se establece que en cada uno de los sectores estudiados utilizan materiales recomendados. Además, muchos de los empaques usados son laminados multicapa, x los cuales se comportan de manera satisfactoria ya que se diseña la combinación de capas según las propiedades que requiere el alimento empacado. Se encontró que según los entrevistados, el criterio de selección de empaques de mayor importancia es la protección del alimento, seguido por los costos y en tercer lugar se encuentra la contaminación ambiental que genera. Se recomienda realizar visitas en empresas de otros sectores para ampliar y cuantificar la información de los empaques poliméricos utilizados en el país. xi ÍNDICE GENERAL Página TRIBUNAL EXAMINADOR ...................................................................................................... i EPÍGRAFE ................................................................................................................................ iii DEDICATORIA .......................................................................................................................... v AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................ vii RESUMEN ................................................................................................................................. ix ÍNDICE GENERAL ................................................................................................................... xi ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................................... xiii ÍNDICE DE CUADROS ........................................................................................................... xv CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 1 CAPÍTULO 2: SITUACIÓN ACTUAL DE LA INDUSTRIA EN COSTA RICA .......... 3 2.1 Perfil de la Industria Costarricense .......................................................................................... 3 2.2 Industria Alimentaria................................................................................................................ 5 2.3 Industria Plástica ...................................................................................................................... 9 CAPÍTULO 3: PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ...................................................... 13 3.1 Físicas ..................................................................................................................................... 13 3.2 Químicas ................................................................................................................................ 15 3.3 Térmicas ................................................................................................................................. 15 3.4 Mecánicas ............................................................................................................................... 16 3.5 Eléctricas ................................................................................................................................ 19 CAPÍTULO 4: POLÍMEROS .................................................................................................... 21 4.1 Generalidades ......................................................................................................................... 21 4.2 Polímeros de uso común en la industria de alimentos y sus propiedades .............................. 21 4.2.1 Polietileno Tereftalato (PET) ......................................................................................... 21 4.2.2 Polietileno de Alta Densidad (HDPE) ............................................................................ 22 4.2.3 Polietileno de Baja Densidad (LDPE) ............................................................................ 25 4.2.4 Policloruro de Vinilo (PVC) .......................................................................................... 26 4.2.5 Polipropileno (PP) .......................................................................................................... 26 4.2.6 Poliestireno (PS) ............................................................................................................. 27 4.2.7 Poliamida (PA) ............................................................................................................... 28 4.2.8 Alcohol Etilenvinílico (EVOH)...................................................................................... 28 4.2.9 Poliuretano (PU) ............................................................................................................. 29 4.2.10 Celofán ........................................................................................................................... 29 4.3 Impacto Ambiental ................................................................................................................. 30 4.4 Empaques poliméricos en Costa Rica .................................................................................... 32 4.4.1.Oferta ..................................................................................................................................... 32 4.5 Criterios de Selección de Empaques ...................................................................................... 38 4.5.1. Apariencia del empaque: ................................................................................................ 38 4.5.2. Interacción empaque-producto: ...................................................................................... 39 4.5.3. Interacción empaque-ambiente: ..................................................................................... 41 4.5.4. Vida útil del producto: .................................................................................................... 42 4.5.5. Requerimientos de mercado: .......................................................................................... 42 4.5.6. Transporte y distribución comercial: .............................................................................. 42 4.5.7. Costos: ............................................................................................................................ 42 xii Página 4.5.8. Disponibilidad: ............................................................................................................... 43 4.5.9. Posible reutilización, reciclaje e impacto ambiental: ..................................................... 43 4.6. Normas y Legislación ............................................................................................................. 43 CAPÍTULO 5: EMPAQUE DE ALIMENTOS ........................................................................ 47 5.1. Empaque para productos agrícolas mínimamente procesados ............................................... 47 5.2. Empaque para chocolates ....................................................................................................... 51 5.3. Empaque para embutidos ....................................................................................................... 52 5.4. Empaque para jugos de frutas................................................................................................. 53 5.5. Empaque para aceites y margarinas ....................................................................................... 54 5.6. Empaque para productos lácteos ............................................................................................ 56 5.7. Empaque de galletas ............................................................................................................... 57 CAPÍTULO 6: METODOLOGÍA ............................................................................................ 59 6.1. Documentación de propiedades y características de empaques poliméricos .......................... 59 6.2. Definición de áreas de aplicación ........................................................................................... 59 6.3. Visitas a supermercados: selección de empresas y productos ................................................ 60 6.4. Elaboración de instrumento .................................................................................................... 61 6.5. Ajuste de instrumento ............................................................................................................. 61 6.6. Aplicación del instrumento en empresas seleccionadas (entrevistas) .................................... 63 6.7. Análisis de resultados ............................................................................................................. 63 CAPÍTULO 7: RESULTADOS ................................................................................................ 65 7.1. Industria de procesamiento y conservación de frutas y hortalizas ......................................... 65 7.2. Industria de elaboración de cacao, chocolate y productos de confitería ................................. 70 7.3. Industria de procesamiento y conservación de carnes ............................................................ 74 7.4. Industria de elaboración de bebidas no alcohólicas................................................................ 77 7.5. Industria de elaboración de aceites y grasas de origen vegetal .............................................. 80 7.6. Industria de elaboración de productos lácteos ........................................................................ 84 7.7. Industria de elaboración de productos de panificación .......................................................... 91 7.8. Otros Factores Relevantes ...................................................................................................... 94 CAPÍTULO 8: NUEVAS TENDENCIAS EN EMPAQUES POLIMÉRICOS PARA ALIMENTOS .......................................................................................................................... 101 8.1. Biopolímeros y polímeros biodegradables ........................................................................... 101 8.2. Películas comestibles ............................................................................................................ 103 8.3. Coberturas biopoliméricas en empaques de papel ................................................................ 105 8.4. Empaques activos ................................................................................................................. 106 8.4.1. Polímeros antimicrobianos ........................................................................................... 106 8.4.2. Polímeros antioxidantes ............................................................................................... 107 8. 5. Empaques inteligentes .......................................................................................................... 107 8. 6. Nanocompuestos .................................................................................................................. 108 CAPÍTULO 9: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................. 111 9.1. Conclusiones ........................................................................................................................ 111 9.2. Recomendaciones ................................................................................................................. 112 CAPÍTULO 10: BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................... 115 Apéndices ................................................................................................................................ 127 Apéndice A. Panorama del sector plástico para el año 2004 .................................................. 129 Apéndice B. Ingredientes utilizados en la producción de embutidos ..................................... 130 xiii ÍNDICE DE FIGURAS Página Figura 2.1. Evolución de las exportaciones del sector industrial 2009-2013 ........................................... 4 Figura 2.2. Composición de la producción industrial según régimen ...................................................... 4 Figura 2.3. Composición de la industria según tamaño (número de trabajadores) .................................. 5 Figura 2.4. Exportaciones según sector para el año 2013 ........................................................................ 7 Figura 2.5. Exportaciones de la industria alimentaria 2009- 2014 ........................................................... 7 Figura 2.6. Composición de la industria de alimentos según tamaño (número de trabajadores) ............. 8 Figura 2.7. Composición de la producción por subsectores de la industria de alimentos según generación de valor agregado ................................................................................................................... 8 Figura 2.8. Exportaciones de la industria plástica 2009- 2013................................................................. 9 Figura 2.9. Composición de la industria plástica según tamaño (número de trabajadores) ................... 10 Figura 2.10. Composición de la producción por subsectores de la industria plástica ............................ 10 Figura 2.11. Participación de la producción en mercados finales .......................................................... 11 Figura 2.12. Importaciones de materiales poliméricos de empaque en el año 2012 .............................. 11 Figura 3.1. Curva de carga – esfuerzo para empaques flexibles ............................................................ 19 Figura 4.1. Estructura química del polietileno tereftalato ...................................................................... 22 Figura 4.2. Estructura química del polietileno ....................................................................................... 22 Figura 4.3. Estructura química del policloruro de vinilo ....................................................................... 26 Figura 4.4. Estructura química del polipropileno ................................................................................... 26 Figura 4.5. Estructura química del poliestireno ..................................................................................... 27 Figura 4.6. Estructura química del policaprolactama (nylon 6) ............................................................. 28 Figura 4.7. Estructura química del alcohol etilenvinílico ...................................................................... 28 Figura 4.8. Estructura química del poliuretano ...................................................................................... 29 Figura 7.1. Importancia de los criterios de selección de empaques en la industria costarricense de alimentos ................................................................................................................................................ 94 Figura 8.1. Compostaje de botella de ácido poliláctico en un período de 30 días ............................... 102 Figura 8.2. Compostaje de lámina de polietileno de baja densidad con un oxo-aditivo en un período de 60 días .................................................................................................................................................. 103 Figura 8.3. Materiales utilizados en polímeros antimicrobianos para (A) películas no comestibles y (B) películas comestibles ............................................................................................................................ 106 Figura 8.4. Diagrama de lámina de polímero antioxidante .................................................................. 107 Figura 8.5. Empaque inteligente que indica la madurez de frutas........................................................ 108 xv ÍNDICE DE CUADROS Página Cuadro 2.1. Importancia del sector industrial en la economía costarricense ........................................... 3 Cuadro 2.2. Participación relativa de los subsectores en el número de empresas y en la generación de empleo en el sector industrial privado costarricense ................................................................................ 6 Cuadro 4.1. Principales propiedades de polímeros de uso común en la industria de alimentos ............ 23 Cuadro 4.2. Ingresos provenientes de empaques importados durante el primer semestre del 2013 en valor CIF ................................................................................................................................................ 33 Cuadro 4.3. Ingresos provenientes de empaques importados durante el segundo semestre del 2013 en valor CIF ................................................................................................................................................ 34 Cuadro 4.4. Ingresos provenientes de empaques importados durante los años 2012 y 2013 en valor CIF ................................................................................................................................................................ 35 Cuadro 4.5. Toneladas importadas de empaques durante el primer semestre del 2013 ........................ 35 Cuadro 4.6. Toneladas importadas de empaques durante el segundo semestre del 2013 ..................... 36 Cuadro 4.7. Toneladas importadas de empaques durante los años 2012 y 2013 .................................. 36 Cuadro 4.8. Consumo de materias primas poliméricas en el país para el año 2004.............................. 37 Cuadro 4.9. Componentes migrantes de materiales poliméricos de empaque a alimentos .................... 39 Cuadro 6.1. Empresas entrevistadas y productos elegidos para el estudio ............................................ 60 Figura 6.2. Instrumento para la recopilación de información utilizado ................................................. 62 Cuadro 7.1. Materiales de empaque utilizados en la industria de frutas y vegetales precortados según entrevistas en dos empresas del sector. .................................................................................................. 66 Cuadro 7.2. Comparación de propiedades mecánicas del poliestireno y el ácido poliláctico ................ 69 Cuadro 7.3. Materiales de empaque utilizados en la industria de chocolate según entrevistas en dos empresas del sector. ............................................................................................................................... 70 Cuadro 7.4. Materiales de empaque utilizados en la industria de procesamiento y conservación de embutidos según la entrevista realizada en una empresa. ...................................................................... 75 Cuadro 7.5. Materiales de empaque utilizados en la industria de elaboración de bebidas no alcohólicas, sin carbonatación según entrevistas realizadas en dos empresas. .......................................................... 78 Cuadro 7.6. Materiales de empaque utilizados en la industria de elaboración de aceites y grasas de origen vegetal según entrevistas realizadas en dos empresas ................................................................. 81 Cuadro 7.7. Materiales de empaque utilizados en la industria de elaboración de productos lácteos según entrevistas realizadas en dos empresas ................................................................................................... 86 Cuadro 7.8. Materiales de empaque utilizados en la industria de elaboración de galletas según entrevistas realizadas en dos empresas ................................................................................................... 92 Cuadro 7.9. Principales proveedores de empaques poliméricos para alimentos en Costa Rica ............. 96 Cuadro 8.1. Proteínas utilizadas como coberturas o láminas comestibles ........................................... 104 Cuadro 8.2. Función de las coberturas biopoliméricas en papel .......................................................... 105 Cuadro A.1. Composición de la producción nacional en el sector plástico para el año 2004 ............. 129 Cuadro A.2. Consumo de la industria de envases para el año 2004 .................................................... 129 Cuadro B.1. Características de algunos ingredientes utilizados para la producción de embutidos varios .............................................................................................................................................................. 130 1 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN En la actualidad, según el número de empresas presentes, más de un 30% de la industria costarricense corresponde al sector de producción de alimentos y bebidas (CICR, 2013). Independientemente de la rama de trabajo de las empresas correspondientes a este sector, todas requieren de distintos tipos de empaque para la posterior distribución de sus productos. El empaque seleccionado debe cumplir con las características necesarias para asegurar la mejor calidad del producto empacado así como aumentar su vida útil lo más que se pueda. Por otro lado, este debe generar el menor impacto ambiental posible. Es por esto que es de vital importancia definir los polímeros más efectivos para el empaque de los diferentes tipos de alimentos basándose en la interacción empaque-alimento-ambiente, las condiciones del proceso y almacenamiento y en la facilidad de tratamiento del material posterior a su uso. El presente trabajo tiene como objetivo principal analizar los requerimientos y características de materiales poliméricos de empaque en el sector de la industria de alimentos en Costa Rica. Para el cumplimiento de este objetivo, se realizaron las siguientes actividades:  Investigación bibliográfica acerca de los criterios de selección de empaques, polímeros de uso común, impacto ambiental, normas y legislación sobre empaque de alimentos y nuevas tendencias en el empaque de alimentos.  Definición de las propiedades físicas, químicas y mecánicas de cada uno de los polímeros de uso común.  Establecimiento de requerimientos de empaque según características del alimento y su interacción con el ambiente.  Determinación de la oferta de materiales poliméricos para empaque de alimentos en el país.  Diseño de un instrumento para el registro de información de requerimientos de los polímeros en la industria de alimentos.  Aplicación del instrumento en industrias representativas de los diferentes sectores.  Finalmente, comparación de la información obtenida mediante investigación bibliográfica con la obtenida por medio del instrumento. 3 CAPÍTULO 2: SITUACIÓN ACTUAL DE LA INDUSTRIA EN COSTA RICA 2.1 Perfil de la Industria Costarricense El sector industrial es el conjunto de actividades en donde se transforman materias primas en diversos productos finales. Este sector abarca una gran variedad de empresas que se clasifican según los productos que generan e incluye todas aquellas actividades dentro de la economía del país en donde se da la transformación de las materias primas. Dicho sector ha presentado una tasa promedio de crecimiento anual del 5,1 % a través de los últimos veinte años, crecimiento que le ha permitido consolidarse como el principal sector en el aporte al Producto Interno Bruto con una participación que en los cinco últimos años ronda el 22,5 % (CICR, 2013). La importancia radica en que ha generado grandes aportes con su participación tanto en exportaciones como en importaciones, además de la generación de empleo. Los aportes mencionados se muestran en detalle en el Cuadro 2.1. Cuadro 2.1. Importancia del sector industrial en la economía costarricense Indicador Porcentaje Participación en el PIB real a precios básicos (2011) 23,0 % Participación en las exportaciones de bienes (2011) 74,8 % Participación en la generación de empleo total (2011) 11,9 % Aporte al empleo formal del sector privado (2012) 16,1 % Importaciones de materia prima, bienes intermedios, maquinaria y equipo para la industria como porcentaje de importaciones totales (2011) 60,3 % Ventas de energía eléctrica como porcentaje total de las ventas (2011) 24,3 % Fuente: (CICR, 2013) Como se observa en el cuadro anterior, para el año 2011 el sector industrial generó casi un 75 % de las exportaciones de bienes en el país. En la Figura 2.1 se observa que las exportaciones del sector industrial han tenido un gran crecimiento en los últimos años donde se observa que aumentan aproximadamente mil millones de dólares (US$) con respecto al año anterior. 4 Figura 2.1. Evolución de las exportaciones del sector industrial 2009-2013 Fuente: (PROCOMER, 2014) En la Figura 2.2 se muestra la distribución de la producción industrial según el tipo de régimen. Se observa que del año 1991 al 2010 se dio un crecimiento en el establecimiento industrial en las zonas francas. Esto se debe principalmente al incremento de la producción con alta tecnología, ya que estas zonas incluyen mayor facilidad de instalación de equipos y maquinarias. Figura 2.2. Composición de la producción industrial según régimen Fuente: (CICR, 2013) 0,00 3.000.000,00 6.000.000,00 9.000.000,00 12.000.000,00 Exportaciones (miles de US$) 2013 2012 2011 2010 2009 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Zo na F ra nc a Pe qu eñ a em pr es a M ed ia na s y g ra nd es em pr es as Pe rf ec ci on am ie nt o A ct iv o 1991 2010 5 En el Cuadro 2.1 se observa que el sector industrial aporta un 12 % del empleo total generado, lo que según la Cámara de Industrias de Costa Rica (2013), equivale a un poco más de 236.000 puestos generados, logrando así que sea el tercer sector generador de empleo, después del sector de comercio y el agropecuario. En la Figura 2.3 se muestra la distribución del parque industrial según el tamaño de las empresas, donde se observa que casi un 60 % de las empresas industriales del país emplean 5 o menos trabajadores mientras que solo un 5 % emplean más de 100. Figura 2.3. Composición de la industria según tamaño (número de trabajadores) Fuente: (CICR, 2013) 2.2 Industria Alimentaria En la actualidad el sector de producción de alimentos y bebidas representa más de un 30 % de la industria costarricense (ver Cuadro 2.2). Adicionalmente, se caracteriza porque genera un mayor número de empleos. Por estas razones, la industria alimentaria es la más sobresaliente en el país. 5% 7% 29% 59% >100 31-100 6-30 <6 6 Cuadro 2.2. Participación relativa de los subsectores en el número de empresas y en la generación de empleo en el sector industrial privado costarricense Descripción Empresas (%) Empleados (%) Alimentos y bebidas 30,1 37,8 Fabricación de muebles, industrias manufactureras NCP1 10,7 3,3 Actividades de edición e impresión y reproducción de grabaciones 10,5 5,1 Fabricación de productos elaborados con metal, excepto maquinaria y equipo 7,8 6,1 Producción de madera y fabricación de productos de madera y corcho 6,5 3,0 Fabricación de sustancias y productos químicos 4,9 10,2 Fabricación de productos minerales no metálicos 4,2 4,0 Fabricación de productos textiles 4,1 3,6 Fabricación de vehículos automotores, remolques y semirremolques 3,1 2,0 Fabricación de productos de caucho y plástico 2,8 5,5 Fabricación de prendas de vestir, adobo y tejidos de pieles 2,6 2,4 Fabricación de maquinaria y equipo NCP 2,5 1,2 Fabricación de instrumentos médicos, ópticos, de precisión y fabricación de relojes 2,2 4,3 Fabricación de metales comunes 1,6 1,3 Fabricación de maquinaria y aparatos eléctricos NCP 1,5 3,8 Curtido y adobo de cueros, fabricación de productos de cuero y zapatos 1,2 0,3 Reciclamiento 1,1 0,5 Fabricación de papel y productos de papel 1,0 1,9 Fabricación de otros tipo de equipo de transporte 0,6 0,2 Fabricación de equipo y aparatos de radio, televisión y telecomunicaciones 0,5 0,7 Fabricación de maquinaria de oficina, contabilidad e informática 0,3 2,4 Productos de tabaco 0,2 0,3 Fabricación de coque, productos de refinación de petróleo 0,1 0,0 Fuente: (CICR, 2013) Para el año 2013, del total de las exportaciones anuales, un 13 % correspondió a la industria de alimentos, siendo la cuarta exportadora a nivel industrial, como se observa en la Figura 2.4, 1 NCP: no clasificadas previamente. 7 después de la industria eléctrica y electrónica con un 28 %, la industria agrícola con un 21 % y la industria de equipo de precisión y médico con un 14 %. Figura 2.4. Exportaciones según sector para el año 2013 Fuente: (PROCOMER, 2014) En la Figura 2.5 se observa que con el transcurso de los años se ha dado un incremento en las exportaciones anuales. Cabe destacar que para el año 2014 solo se toman en cuenta las exportaciones generadas hasta agosto lo que permite proyectar que aún para dicho año se cumplirá este crecimiento. Figura 2.5. Exportaciones de la industria alimentaria 2009- 2014 Fuente: (PROCOMER, 2014) 21% 13% 2% 28% 14% 0% 1% 1% 1% 4% 0% 1% 1% 3% 3% 0% 1% 5% 2% Agrícola Alimentaria Caucho Eléctrica y electrónica Equipo de precisión y médico Instrumentos de música y sus partes Joyería Maderera Material de transporte Metal-mecánica Muebles y aparatos de alumbrado Otros Papel y cartón Pecuario y pesca Plástico Productos Minerales Productos Minerales no metálicos Química Textiles, cuero y calzado 900.000,00 1.000.000,00 1.100.000,00 1.200.000,00 1.300.000,00 1.400.000,00 1.500.000,00 2009 2010 2011 2012 2013 2014* (Hasta Agosto) Ex p o rt ac io n e s (m ile s d e U S$ ) 8 En la Figura 2.6 se muestra la distribución de las industrias según su tamaño; a diferencia del sector industrial en general (ver Figura 2.3), en la industria de alimentos la proporción de la industria que emplea entre 6-30 empleados es mayor. Esta proporción es casi la misma que la que emplea 5 o menos empleados, donde estas dos representan el 86 % de las empresas. Figura 2.6. Composición de la industria de alimentos según tamaño (número de trabajadores) Fuente: (Hidalgo, Herrera, López, & Velásquez, 2009) Finalmente, la distribución de la producción por subsectores se muestra en la Figura 2.7; se observa que la industria de bebidas y tabacos sobresale con casi un 25% de la producción total, seguida por las industrias cárnica y láctea. Las frutas y hortalizas generan muy pocas ganancias ubicándose dentro del 9 % correspondiente a otros. Figura 2.7. Composición de la producción por subsectores de la industria de alimentos según generación de valor agregado Fuente: (Hidalgo, Herrera, López, & Velásquez, 2009) 6% 8% 42% 44% >100 31-100 6-30 <6 24% 13% 13% 8% 7% 7% 5% 4% 3% 3% 3% 1% 9% Bebidas y tabacos Carnes Lácteos Aceites Panificación Molinería Marinos Conservas Beneficio Café Azúcar Alimentos para animales Dulces Otros 9 2.3 Industria Plástica Independientemente de la rama de trabajo de las empresas del sector alimentario, todas requieren de distintos tipos de empaque para la posterior distribución de sus productos. La industria de polímeros, conocida comúnmente como industria plástica, provee una gran variedad de materiales poliméricos de empaque según las necesidades de los alimentos a distribuir. En los últimos años la industria plástica ha cobrado importancia en las exportaciones. Para el año 2012, del total de las exportaciones anuales, como se observa en la Figura 2.4, el 2 % corresponde a dicha industria. En la Figura 2.8 se muestra el crecimiento de las exportaciones desde el año 2009 donde se observa un crecimiento anual de aproximadamente 50 millones de dólares. Figura 2.8. Exportaciones de la industria plástica 2009- 2013 Fuente: (PROCOMER, 2014) En la Figura 2.9 se muestra la distribución de las industrias del sector plástico según el número de empleados. La mayor parte de las industrias emplean a 5 o menos trabajadores, sin embargo, el sector posee un 11 % de empresas con más de 100 empleados, lo que duplica porcentualmente tanto al resto del sector industrial como a la industria de alimentos. 200.000,00 250.000,00 300.000,00 350.000,00 400.000,00 2009 2010 2011 2012 2013 E x p o rt a ci o n es ( m il es d e U S $ ) 10 Figura 2.9. Composición de la industria plástica según tamaño (número de trabajadores) Fuente: (Calderón, Chacón, & Gutiérrez, 2011) En la Figura 2.10 se muestra la distribución de la producción por subsectores, donde se observa que la industria de inyección genera casi la mitad de la producción total, seguida por la industria de termoformado. 2 Figura 2.10. Composición de la producción por subsectores de la industria plástica Fuente: (Calderón, Chacón, & Gutiérrez, 2011) En la Figura 2.11, se muestra que un 24 % de la producción de la industria plástica se dirige a la industria de alimentos como mercado final, siendo esta su mercado secundario, después del mercado industrial en general. 2 El sector de servicios a la industria plástica ofrece desde productos como materias primas, equipamiento y accesorios, equipos de pruebas, equipos de control, equipos auxiliares, hasta el servicio de análisis de las resinas (Calderón, Chacón, & Gutiérrez, 2011). 11% 43% 46% >100 6-100 <6 42% 30% 22% 6% Inyección Extrusión Servicios Termoformado 11 Figura 2.11. Participación de la producción en mercados finales Fuente: (Calderón, Chacón, & Gutiérrez, 2011) Se debe mencionar que para satisfacer la demanda de polímeros para empaque no es suficiente la producción a nivel nacional por lo que se importan algunos. En la Figura 2.12, se observa que el polietileno de baja densidad es el que genera un mayor valor de importación siendo del orden de 70 millones de dólares anuales, seguido por el policloruro de vinilo con 50 millones de dólares, aunque parte de la resina se importa para la producción de tuberías y accesorios. Las importaciones de alcohol etilen-vinílico y el celofán son de aproximadamente 1 millón de dólares anuales. Figura 2.12. Importaciones de materiales poliméricos de empaque en el año 2012 Fuente: (PROCOMER, 2014) 34% 24% 7% 7% 6% 5% 5% 12% Industrial Alimentos Médico Plástico Construcción Comercial Artesanal Otros 0,00 20.000,00 40.000,00 60.000,00 80.000,00 CELULOSA Y SUS DERIVADOS (CELOFÁN) POLIAMIDAS (PA) POLICLORURO DE VINILO (PVC) POLIESTIRENO (PS) POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD (LDPE) POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (HDPE) POLIPROPILENO (PP) POLITEREFTALATO DE ETILENO (PET) POLIURETANOS (PU) COPOLÍMEROS DE ETILENO (EVOH) Importaciones (miles de US$) 12 La relevancia de la industria de producción de alimentos y bebidas en Costa Rica conlleva al requerimiento creciente de empaques más útiles ya que los alimentos deben ser protegidos para que se preserven y se transporten adecuadamente hasta el consumidor. El uso de empaques poliméricos es una de las alternativas disponibles y el sector productivo requiere conocer la variedad de polímeros existente con propiedades que se ajustan a los distintos requerimientos de los alimentos. Los polímeros que se utilizan en alimentos deben ser correctamente caracterizados y analizados para asegurar que su interacción con el alimento no altere el producto y asegure su inocuidad. Los polímeros más utilizados en esta industria son polietileno tereftalato, polietileno de alta densidad, polietileno de baja densidad, policloruro de vinilo, polipropileno, poliestireno, poliamidas (nylon 6), alcohol etilenvinílico, poliuretano y celofán. En el presente trabajo se definen y caracterizan estos materiales y se analiza su uso en la industria alimentaria a nivel nacional. 13 CAPÍTULO 3: PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Previo a la caracterización de los diferentes tipos de polímeros, se describen algunas propiedades de los materiales poliméricos y su relevancia dentro de la selección y la interacción empaque-alimento-ambiente. 3.1 Físicas Las propiedades físicas son aquellas que pueden ser medidas y observadas sin cambiar la composición o identidad del material, como lo son las dimensiones y las propiedades ópticas. Su relevancia radica en el aspecto físico del empaque, ya que debe ser atractivo y funcional para los compradores. Dentro de estas se incluyen:  Densidad (g/cm3): es la relación entre la masa y el volumen de un material. La densidad es un parámetro que se varía en el diseño de empaques para obtener una amplia gama de aplicaciones, tal como es el caso de los polietilenos.  Transparencia (%): es una propiedad óptica del material que mide la facilidad con que la luz pasa a través de este. Cuanto más transparente, permite ver con mayor claridad a través del material. Para materiales plásticos se mide como porcentaje, y es opuesto a la opacidad. Empaques con alta transparencia se usan para productos en los que se pretende que el consumidor pueda apreciar el aspecto del producto.  Opacidad (%): la opacidad, o “haze” por su término en inglés, es la propiedad que mide qué tanto se impide el paso de la luz a través del material. Se mide como porcentaje. Un material con alta opacidad es útil en el empaque de alimentos que son sensibles o se descomponen en presencia de la luz.  Brillo (%): se trata de la capacidad del material para reflejar la luz. Se mide la cantidad de luz reflejada en el material a un ángulo definido en comparación con un material estándar que posee un brillo del 100 % (Omnexus, 2013). Es un criterio que se toma en cuenta a la hora de elegir el material ya que un empaque con alto brillo puede ser más atractivo para el comprador que uno de bajo brillo. 14  Tensión superficial (N/m): la tensión superficial es la fuerza que actúa por unidad de longitud de un material que está en contacto con una película de líquido. Actúa como una fuerza que se opone al aumento de área de la película de líquido (Castellán, 1987). De esta variable depende la adherencia del contenido líquido al envase.  Temperatura de fusión (K): es la temperatura a la cual el material pasa del estado sólido al líquido. En aplicaciones de empaque de alimentos, se debe tener presente la temperatura de fusión del material de empaque ya que muchos productos se empacan a altas temperaturas o requieren de tratamientos con calor como lo es el sellado.  Índice de refracción: es la relación entre la velocidad de la luz en el aire y la velocidad de la luz en el material que se está analizando. El índice de refracción es una de las constantes más importantes que se emplean para obtener la identidad de un compuesto (Pasto & Johnson, 1981).  Permeabilidad ((m3*m/(m2*s*Pa)): se refiere a la capacidad de un material para permitir el paso de sustancias ajenas sin modificar su composición y estructura. El uso de empaques con permeabilidad restringida para el paso de oxígeno o dióxido de carbono, permite controlar la composición de gases en el espacio de cabeza. En el caso de algunas frutas y hortalizas frescas, esto permite una atmósfera en el interior del empaque de bajo oxígeno y elevado dióxido de carbono, que contribuye a reducir la tasa respiratoria del producto y disminuir la tasa de deterioro. Sin embargo, para productos frescos, también se debe tener cuidado de que los niveles de oxígeno no alcancen valores muy bajos, que puedan llevar a activar procesos anaerobios en el alimento (Danish Technological Institute, 2008) o generar el crecimiento de bacterias anaeróbicas dañinas para el consumo humano. Reducir la permeabilidad del vapor de agua contribuye a reducir el intercambio con el ambiente, ya sea evitando la hidratación de productos secos o limitando la transpiración en frutas y verduras una vez empacadas. El intercambio de grasas con el ambiente a través del material puede reducir la calidad del producto al disminuir la cantidad de grasa contenida y/o crear superficies grasosas en los empaques. 15 3.2 Químicas Una propiedad química es la que se relaciona con los cambios de composición o las reacciones con otras sustancias. Estas incluyen la tendencia de una sustancia a reaccionar con otra, enmohecerse, corroerse, estallar o actuar como veneno o carcinógeno (Burns, 2003). Estas propiedades son relativas a la composición, la pureza y los aditivos que puedan incorporarse en la formulación del material de empaque. Son las que definen directamente la interacción empaque-alimento-ambiente. En el caso de la industria de alimentos, no debe haber migración de sustancias desde el material de empaque hacia el producto, por lo que se debe tener cuidado al seleccionar los materiales y considerar tanto las características químicas del empaque como las del alimento. En el presente proyecto, se analiza la absorción de agua que se define como:  Absorción de agua (%/24h): es la masa de agua que el material incorporó en un período de veinticuatro horas, entre la masa inicial del material. Se indica como un porcentaje. A la hora de empacar alimentos húmedos no se deben utilizar materiales con alta absorción de agua, ya que esto puede ocasionar, no solo la pérdida de agua del producto, sino también un cambio en las propiedades del material. 3.3 Térmicas Las propiedades térmicas son aquellas que se refieren al comportamiento del material frente a la aplicación de calor y/o cambios de temperatura. Estas propiedades reflejan la respuesta al calor de los empaques terminados, ya sean bolsas, botellas, bandejas u otros recipientes y varían según el material y proceso de fabricación, el grosor de las paredes y algunos otros factores. La capacidad de sellado del material es un criterio de alta importancia para la protección del alimento, ya que un sello óptimo evita el ingreso de contaminantes al producto una vez procesado y empacado. Muchos alimentos requieren de tratamientos térmicos durante su proceso, lo que define las propiedades térmicas del material requerido. Las principales propiedades térmicas son: 16  Capacidad calorífica (J/mol K): es la capacidad de un material para absorber el calor de su entorno; representa la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura en una unidad y normalmente se expresa por mol (o masa) de material (Callister, 2007).  Calor de fusión (J/mol): corresponde al calor requerido para hacer pasar una sustancia del estado sólido al líquido. Esta propiedad se debe conocer para utilizar el calor apropiado en tratamientos que lo requieran como lo son el sellado, el termoencogimiento y el termoformado.  Conductividad térmica (W/m K): se define como la capacidad de un material para transferir calor desde las regiones de alta temperatura hasta las regiones de baja temperatura en una sustancia (Callister, 2007). Para alimentos empacados que deban someterse a un proceso térmico de calentamiento o enfriamiento, la conductividad térmica del material afectará la velocidad de transferencia de calor a través del empaque.  Difusividad térmica (m2/s): la difusividad térmica mide la velocidad a la que la temperatura cambia dentro de una sustancia hasta alcanzar el equilibrio térmico (Gutiérrez M. , 1993).  Coeficiente de expansión térmica (K-1): el coeficiente de expansión térmica se define como el aumento relativo en volumen de un material dividido por el aumento de temperatura, a presión constante (Castellán, 1987). Esta propiedad se utiliza para el ajuste de maquinaria de empaque en bolsas de formato continuo impresas, en que debe compensarse el cambio del tamaño del material con la impresión del material, para que los cortes se realicen donde corresponden. 3.4 Mecánicas Estas propiedades miden la respuesta del material a la aplicación de fuerzas externas. Son también propiedades físicas pero se presentan por separado por la forma de medición y su relación con la resistencia del empaque al manejo. Entre estas se pueden mencionar:  Factor de fricción: el término factor de fricción se refiere al parámetro adimensional que mide el esfuerzo cortante en la superficie del objeto (Potter & Wiggert, 2002). Se debe tomar en cuenta para el transporte del empaque en las bandas transportadoras del 17 proceso. Además, las láminas poliméricas vienen en bobinas por lo que el factor de fricción cumple un papel significativo en la fuerza que se debe aplicar para desenrollar las bobinas, para luego formar el empaque o bolsa que contendrá el alimento.  Módulo de Young o Módulo de elasticidad (Pa): es la constante de proporcionalidad que relaciona la tensión con la deformación en un material (Callister, 2007). Es un parámetro esencial en la selección ya que la deformación puede ser problemática en la protección del alimento, así como en su aspecto físico.  Módulo de compresibilidad (Pa): Es el cociente entre el cambio de presión y la disminución relativa al volumen (Tipler & Mosca, 2006). Este parámetro debe tenerse presente al estibar los empaques ya que podrían sufrir deformación por el peso de los empaques superiores.  Módulo de flexión (Pa): la rigidez, dureza o módulo de flexión es una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada (Callister, 2007). Este módulo determina la capacidad del material de empaque a resistir la aplicación de una fuerza en un punto, lo que indica si el material fallaría al ser golpeado.  Esfuerzo de corte (Pa): el esfuerzo de corte o cizalla es el resultado de la aplicación de dos fuerzas paralelas en direcciones opuestas, lo que genera una ruptura o corte sobre la superficie en contacto. Un material con esfuerzo de corte bajo va a fallar a la hora de de recibir impactos y/o punzaduras que pueden ocurrir durante el transporte o en el punto de venta.  Fuerza de impacto (J/m): la fuerza o resistencia al impacto es una medida de la energía necesaria para romper una muestra del material (Seymour & Carraher, 2002). Al igual que el esfuerzo de corte, debe tomarse en cuenta en la protección del alimento.  Esfuerzo último (%): el esfuerzo último o resistencia a la tracción es la elongación que bajo determinadas condiciones causa la suficiente tensión para romper la muestra (Brown R. , 1999). Corresponde a la máxima tensión que puede ser soportada por una estructura a tracción. Hasta este punto, toda la deformación es uniforme (Callister, 2007). Al igual que el esfuerzo a ceder, es una propiedad que se debe controlar al estirar las láminas poliméricas para evitar dañarlas. 18  Esfuerzo de fluencia (%): el esfuerzo de fluencia, o “yield elongation” por su nombre en inglés, se define como el esfuerzo que provoca una deformación remanente del 0,2 % (Dalmau Garcia & Vilardell Coma, 2003). Debe considerarse cuando se tienen bobinas con láminas poliméricas ya que el material debe resistir la fuerza para desenrollarlas, de lo contrario sufrirá daños y deformaciones.  Resistencia a la tensión de quiebre (Pa): la resistencia a la tensión de quiebre es la mayor cantidad de fuerza de tensión que un sólido puede soportar antes de fallar. Si el material se rompe, el producto queda expuesto y se pierde la protección (Holgate, 2010).  Resistencia a la tensión de fluencia (Pa): la resistencia a la tensión de fluencia se refiere a la carga a la cual una pequeña, pero medible, cantidad de deformación inelástica o plástica ocurre (Davis, 2004). Al igual que el módulo de Young, se debe controlar la resistencia a la tensión de fluencia para prevenir deformaciones en los empaques finales.  Módulo de corte (Pa): el módulo de corte o cizalladura es la razón de la magnitud de la fuerza tangente al área de la cara del cuerpo a la que se le aplica la fuerza (Serway & Faughn, 2001). Durante el transporte, los empaques pueden estar expuestos a esfuerzos de cizalladura, por lo que este modulo indica si el material de empaque puede resistir los esfuerzos.  Esfuerzo a la compresión (Pa): el esfuerzo a la compresión es la fuerza aplicada por unidad de área transversal con el propósito de acortar la longitud de un objeto (Wilson & Buffa, 2003). Esta característica se debe tomar en cuenta al paletizar y estibar los empaques para evitar una falla según el esfuerzo máximo a la compresión que puedan resistir. La resistencia de un material polimérico se puede determinar midiendo la carga que resulta de una fuerza aplicada para obtener los valores correspondientes a las siguientes propiedades, mostradas en la Figura 3.1: resistencia a la tensión de quiebre (T), módulo de Young (E), resistencia a la tensión de fluencia (Y) y punto de quiebre (C) (Fellows, 2000). 19 T: Resistencia a la tensión de quiebre E: Módulo de Young Y: Resistencia a la tensión de fluencia C: Punto de quiebre Figura 3.1. Curva de carga – esfuerzo para empaques flexibles Fuente: (Fellows, 2000) 3.5 Eléctricas Son las propiedades que definen el comportamiento del material frente a la aplicación de una corriente eléctrica. Algunas de estas propiedades se definen a continuación.  Constante dieléctrica (adimensional): la permitividad relativa o constante dieléctrica de un material indica cuantas veces mayor sería la capacidad de un condensador al usar dicho material como dieléctrico3 en lugar del aire (Häberle, 1979). La constante dieléctrica refleja la habilidad del material para almacenar energía cuando el alimento está sometido a un campo eléctrico, lo que se conoce como polarización. En alimentos, cada fenómeno de polarización lleva asociado un fenómeno de disipación de parte de la energía de la onda en el material, dando lugar a absorciones de energía (Castro G., 3 Materiales constituidos por dipolos eléctricos (Menéndez, 1999). 20 2010). Por esto, se debe controlar el valor de la constante dieléctrica según la absorción de energía requerida por parte del alimento.  Conductividad eléctrica (Ohm-1*m-1): el término conductividad eléctrica se refiere a la capacidad de un material para transferir electricidad. En general, los polímeros presentan conductividades eléctricas bajas, pero con la absorción de humedad la conductividad eléctrica aumenta, pudiendo generar daños en el producto previamente empacado por la transferencia del calor que acompaña a la transferencia de electricidad. Todas las propiedades mencionadas anteriormente se deberían considerar a la hora de seleccionar el material apropiado según las características que presentan los diferentes alimentos. Sin embargo, muchas veces en la práctica, solo se toman en cuenta algunas de estas según el alimento a empacar, ya que es casi imposible encontrar un material ideal para cada producto. En la industria alimentaria se debe considerar que el material de empaque debe ser inerte al alimento, es decir, este no debe reaccionar con él ni liberar sustancias químicas, por lo que no todos los materiales disponibles en el mercado son aptos para estar en contacto con alimentos. La función del empaque es proteger el alimento, entonces se requiere conocer las propiedades de los productos a empacar, así como, el conjunto de características de los empaques con el fin de realizar una mejor selección. Los polímeros son materiales muy versátiles y por sus características se usan ampliamente para el empaque de distintas clases de alimentos. En el siguiente capítulo se procede con la definición y caracterización de los polímeros de uso común en el empaque de alimentos, mediante valores cuantitativos para cada característica. 21 CAPÍTULO 4: POLÍMEROS 4.1 Generalidades Un polímero es una sustancia constituida por moléculas que presentan repetición de una o varias unidades monoméricas. Las unidades monoméricas se caracterizan por ser sustancias de bajo peso molecular, capaces de unirse a otras moléculas similares para crear largas cadenas y así formar los polímeros (Vela, Blanco, & Carbonell, 2006). Pueden clasificarse según su naturaleza como polímeros naturales, naturales modificados y sintéticos. Siendo estas últimas dos clasificaciones resultados de intentos del ser humano de reproducir características de materiales naturales como el caucho. Otras formas de clasificación son, según la forma macromolecular, que se pueden clasificar como lineales, ramificados y entrecruzados y según la igualdad de los monómeros que pueden ser homopolímeros o copolimeros. En general, a pesar de las grandes diferencias de composición y estructura de los diferentes polímeros, existe una serie de propiedades comunes que los distingue de otros materiales (Beltrán & Marcilla, 2012). Estas propiedades se detallan posteriormente y son las responsables de la efectividad de los polímeros de empaque sobre otros como los son algunos metales, cartones e inclusive mezclas de estos. 4.2 Polímeros de uso común en la industria de alimentos y sus propiedades Los materiales poliméricos más utilizados para el empaque de alimentos y sus propiedades se describen a continuación. 4.2.1 Polietileno Tereftalato (PET) El polietileno tereftalato es un material producido tradicionalmente por dos reacciones consecutivas de intercambio estérico. Primeramente, se calienta dimetil tereftalato con etilenglicol a aproximadamente 200 °C, lo que genera dihidroxietil tereftalato (monómero) y metanol que se remueve. En el segundo paso, se disminuye la temperatura lo que genera la 22 formación del polímero mientras se destila el etilenglicol (Ebewele, 2000). El monómero producido se puede observar en la Figura 4.1. Figura 4.1. Estructura química del polietileno tereftalato Fuente: (Ebewele, 2000) Este material posee muy buenas propiedades de resistencia a la tensión, baja permeabilidad de gases como oxígeno y dióxido de carbono, buena resistencia a las grasas4 y muy baja transmisión de vapor de agua, además de ser transparente después de procesado. Es uno de los polímeros más utilizados; entre sus aplicaciones en el empaque de alimentos se encuentran bandejas, láminas, bolsas y principalmente en botellas sopladas para envase de bebidas frías, carbonatadas y no carbonatadas, en diferentes presentaciones, envases para especies y dulces líquidos. En el Cuadro 4.1 se observan en detalle las propiedades correspondientes a este y otros polímeros de uso común en el empaque de alimentos. 4.2.2 Polietileno de Alta Densidad (HDPE) El polietileno puro consiste en una serie de alquenos como se observa en la Figura 4.2, donde n es el grado de polimerización, es decir, la cantidad de monómeros de etileno que se unieron en la cadena polimérica. El polietileno de alta densidad es el polietileno que químicamente se parece más al polietileno puro, esto por ser moléculas con muy pocos defectos que evitan la linealidad. Al tener pocos defectos, se logra obtener un alto grado de cristalinidad, lo que genera la alta densidad en la resina (Peacock, 2000). Figura 4.2. Estructura química del polietileno Fuente: (Ebewele, 2000) 4 Según Villamizar F. & Gomez M. (1992), si se busca un polímero de empaque con baja permeabilidad a las grasas, se pueden utilizar PA, PET, PVC, EVOH o PP. 23 C u a d ro 4 .1 . P rin ci pa le s p ro pi ed ad es d e po lím er os d e us o co m ú n en la in du st ria d e al im en to s T ip o P r o p ie d a d S ím b o lo U n id a d e s P o lí m e r o P E T H D P E L D P E P V C P P F ís ic a s D en si da d ρ g/ cm 3 1, 41 0, 99 6 0, 92 1, 39 0, 93 6- 0, 94 6 Tr an sp ar en ci a % 70 -9 0 80 80 80 85 -9 0 Br ill o % 10 5- 20 0 5- 12 0 35 -9 7 nd 75 -9 0 O pa ci da d % nd 6 1, 3- 27 ,5 nd 11 Te ns ió n Su pe rf ic ia l m N /m 41 ,7 35 ,7 nd 33 ,3 3 26 ,1 Te m pe ra tu ra d e Fu si ón K 53 8 41 8 37 8- 38 8 48 5- 58 3 45 9 Ín di ce d e Re fr ac ci ón A di m en si on al 1, 57 1, 58 2 1, 51 7- 1, 52 6 1, 53 9 1, 50 3 Tr an sm is ió n de v ap or a 3 8 °C y 9 0 % H R g* m il/ (1 00 in ^2 *d ía ) 1- 2 0, 3- 0, 6 1- 2 2- 5 0, 6- 0, 7 Pe rm ea bi lid ad d e O 2 cm 3* m il/ (1 00 in ^2 *d ía * at m ) 3- 6 10 0- 25 0 30 0- 60 0 5- 15 15 0- 25 0 Pe rm ea bi lid ad d e C O 2 cm 3* m il/ (1 00 in ^2 *d ía * at m ) 15 -2 5 35 0- 60 0 12 00 -3 00 0 20 -5 0 50 0- 80 0 Q u ím ic a s A bs or ci ón d e ag ua % /2 4h 0, 5 0, 01 0, 01 5 0, 4 0, 1 T é r m ic a s C ap ac id ad C al or ífi ca C p kJ /m ol K 0, 28 4 30 ,9 E- 02 1, 65 E- 04 0, 09 03 0, 07 93 C al or d e Fu sió n ΔH f kJ /m ol 24 ,1 4, 14 1, 37 -2 ,1 8 4, 12 9 3, 70 2 D ifu si vi da d Té rm ic a m 2/ s 1, 3E -0 7 nd nd 1, 17 E- 07 1, 39 1E -0 7 C oe fic ie nt e de E xp an sió n Té rm ic a α 1/ K 9, 1E -0 5 2, 1E -0 4 (1 0- 20 )E - 05 6, 9E -0 5 (6 -1 7) E- 05 C on du ct iv id ad T ér m ic a W /m K 0, 29 0, 52 0, 32 -0 ,3 5 0, 16 1 0, 12 -0 ,2 2 M ec á n ic a s Fa ct or d e fri cc ió n µ A di m en si on al 0, 26 - 0, 33 0, 20 - 0, 25 0, 5- 0, 59 0, 5- 0, 6 0, 29 -0 ,3 6 M ód ul o de Y ou ng o e la sti ci da d E M Pa 17 00 60 -2 90 15 0- 25 0 24 00 - 40 00 11 00 -1 60 0 M ód ul o de c om pr es ib ili da d K M Pa 13 50 nd 13 0- 30 0 67 90 10 34 ,2 -2 06 8, 4 Ri gi de z o M ód ul o de F le xi ón M Pa 20 00 75 0- 15 75 24 0- 33 0 21 00 - 35 00 13 89 Es fu er zo d e co rte σb M Pa 50 nd nd 37 ,2 -4 2, 5 28 ,6 5 Fu er za d e Im pa ct o J/ m 90 30 -2 00 nd 20 -1 10 27 El on ga ci ón a l q ui eb re o E sf ue rz o Ú lti m o εb % 60 50 0- 70 0 20 0- 60 0 28 18 9 El on ga ci ón d e flu en ci a o Es fu er zo d e flu en ci a εy % 4, 1 15 13 -1 7, 5 4- 20 12 ,2 Re si st en ci a a la T en si ón d e qu ie br e M Pa 12 1, 6 30 -4 0 25 35 -6 0 29 ,6 -4 8 Re si st en ci a a la T en si ón d e flu en ci a M Pa 66 ,7 25 -3 0 9- 15 35 -5 0 34 ,5 M ód ul o de C or te G M Pa 71 0 nd nd nd 98 0, 67 (1 5 °C ) Es fu er zo a la C om pr es ió n de fl ue nc ia o d e qu ie br e M Pa 64 -6 9 18 ,6 - 24 ,8 18 -2 5 86 48 8, 3 E lé c tr ic a s C on st an te d ie lé ct ric a A di m en si on al 3, 1 2, 3 2, 28 3, 4 2, 2- 2, 3 C on du ct iv id ad E lé ct ric a 1/ (O hm *c m ) 5, 5E -1 7 nd nd 8, 62 E- 14 3, 2E -1 6 Fu en te s: (K ap la n, 1 99 8; M ar k, 1 99 9; O m ne xu s, 20 13 ; P ol yI nf o, 2 01 3; V an d er V eg t, 20 02 ; Y am K . , 2 00 9) * nd : n o di sp on ib le * PE T: P ol ie til en o te re fta la to , H D PE : P ol ie til en o de a lta d en si da d, L D PE : P ol ie til en o de b aj a de ns id ad , P V C : P ol ic lo ru ro d e vi ni lo , P P: P ol ip ro pi le no * 1 cm 3* m il/ (1 00 in ^2 *d ía *a tm ) = 2 ,4 4* 10 17 m *s 3 /k g2 * 1 g* m il/ (1 00 in ^2 *d ía ) = 5 66 1, 27 k g/ m 2 24 C u a d ro 4 .1 . (C o n ti n u a ci ó n ) P rin ci pa le s p ro pi ed ad es d e po lím er os d e us o co m ú n en la in du st ria d e al im en to s T ip o P r o p ie d a d S ím b o lo U n id a d e s P o lí m e r o P S P A E V O H P U C e lo fá n F ís ic a s D en si da d ρ g/ cm 3 1, 11 1- 1, 12 7 1, 13 1, 14 -1 ,2 0 1, 29 7 1, 45 Tr an sp ar en ci a % 88 nd nd nd nd Br ill o % nd 13 0- 14 5 85 -9 5 nd nd O pa ci da d % 2 nd 0, 5- 1, 9 nd nd Te ns ió n Su pe rf ic ia l m N /m 34 ,4 6 42 39 ,9 nd nd Te m pe ra tu ra d e Fu si ón K 51 3 49 3 43 7- 46 4 47 6 50 3 Ín di ce d e Re fr ac ci ón A di m en si on al 1, 59 -1 ,6 0 1, 53 nd 1, 76 3- 1, 87 9 1, 59 5- 1, 61 8 Tr an sm is ió n de v ap or a 3 8 °C y 9 0 % H R g* m il/ (1 00 in ^ 2* dí a) 7- 10 10 -2 0 5 (a 0 % H R) nd nd Pe rm ea bi lid ad d e O 2 cm 3* m il/ (1 00 i n^ 2* dí a* at m ) 25 0- 35 0 2- 3 0, 2- 3 (a 1 00 % H R) nd nd Pe rm ea bi lid ad d e C O 2 cm 3* m il/ (1 00 i n^ 2* dí a* at m ) 90 0- 10 50 10 -1 2 4- 10 (a 1 00 % H R) nd nd Q u ím ic a s A bs or ci ón d e ag ua % /2 4h 0, 04 1, 6- 1, 9 0, 19 -7 ,7 0, 06 -0 ,4 2 1, 8- 5, 2 T é r m ic a s C ap ac id ad C al or ífi ca C p C p k J/m ol K 0, 12 74 -0 ,1 32 6 0, 17 8 nd 0, 82 4- 0, 96 7 0, 14 07 C al or d e Fu sió n ΔH f k J/m ol 8, 37 -1 0 7, 93 1 5, 75 4- 5, 90 5 5, 3 nd D ifu si vi da d Té rm ic a m 2/ s 1, 13 E- 07 1, 5E -0 7 nd nd 1, 5E -7 (a 1 27 °C ) C oe fic ie nt e de E xp an sió n Té rm ic a α 1 /K (6 -8 )E -0 5 8, 3E -4 nd nd (2 -7 ,5 )E -6 C on du ct iv id ad T ér m ic a W /m K 0, 13 0, 23 0, 34 -0 ,3 6 0, 03 7- 0, 33 2 0, 02 9- 0, 17 M ec á n ic a s Fa ct or d e fri cc ió n µ A di m en si on al 0, 43 -0 ,5 0 0, 36 - 0, 46 nd nd nd M ód ul o de Y ou ng o e la sti ci da d E M Pa 25 00 -3 50 0 80 0- 20 00 19 00 -3 50 0 nd 40 00 M ód ul o de c om pr es ib ili da d K M Pa 30 00 44 00 20 68 ,4 -2 64 5, 5 22 2- 24 82 nd Ri gi de z o M ód ul o de F le xi ón M Pa 31 00 28 29 28 00 -5 80 0 39 4- 17 10 nd Es fu er zo d e co rte σ b M Pa 96 nd nd nd nd Fu er za d e Im pa ct o J/ m 19 ,7 53 53 ,4 -9 0, 7 9, 63 -9 6, 26 nd El on ga ci ón a l q ui eb re o E sf ue rz o Ú lti m o εb % 1- 4 70 20 0- 38 0 3- 13 0 21 -3 0 El on ga ci ón d e flu en ci a o Es fu er zo d e flu en ci a εy % 1- 4 7 1- 8 4, 8- 42 nd Re si st en ci a a la T en si ón d e qu ie br e M Pa 35 -6 0 52 ,4 30 -2 05 16 ,6 9- 57 ,3 10 0- 20 0 Re si st en ci a a la T en si ón d e flu en ci a M Pa 35 -6 0 38 ,5 50 -9 4 15 ,9 3- 45 ,3 nd M ód ul o de C or te G M Pa 12 00 98 0 nd nd nd Es fu er zo a la C om pr es ió n de fl ue nc ia o d e qu ie br e M Pa 65 -8 8 89 -1 11 nd nd nd E lé c tr ic a s C on st an te d ie lé ct ric a A di m en si on al 2, 61 3, 8 4, 8- 5, 6 2, 69 -5 ,8 2 5, 7 C on du ct iv id ad E lé ct ric a 1/ (O hm *c m ) 2, 9E -1 7 2, 8E -1 2 4, 3E -0 9 1, 5E -1 2 (4 0° C ) 3E -1 1 Fu en te s: (I D ES , 2 01 3; K ap la n, 1 99 8; M ar k, 1 99 9; O m ne xu s, 20 13 ; P ol yI nf o, 2 01 3; V an d er V eg t, 20 02 ; Y am K . , 2 00 9) * nd : n o di sp on ib le * PP : P ol ip ro pi le no , P S: P ol ie st ire no , P A : P ol ia m id as (N yl on 6 ), EV O H : A lc oh ol e til en vi ní lic o, P U : P ol iu re ta no 25 Este polímero posee un bajo factor de fricción, alta fuerza de impacto, alta conductividad térmica, baja permeabilidad al vapor de agua y baja transparencia. Tanto la materia prima como el proceso de producción son más baratos que el PET, por lo que si la transparencia de la botella no es requerida, es una mejor opción. Es utilizado para contenedores opacos o botellas para productos que requieren un envase fuerte sin necesidad de que sea transparente como en el envase de leche (Chin, 2010). Otras aplicaciones incluyen la fabricación de cajas, baldes, bolsas y tapas de envases. En el Cuadro 4.1 se especifican las propiedades correspondientes a este polímero. Actualmente, este material se utiliza para el envasado de productos lácteos como yogurts líquidos y natilla, bebidas de frutas, salsas, etc. 4.2.3 Polietileno de Baja Densidad (LDPE) A diferencia del polietileno de alta densidad, este polímero contiene una concentración substancial de ramificaciones en su estructura, lo que dificulta la cristalización. Se produce a alta presión, lo que hace que las ramificaciones frecuentemente se encuentren aglomeradas. Esto genera un compuesto de baja densidad (Peacock, 2000). Se caracteriza por su alta capacidad de estiramiento, debida a su poca estabilidad dimensional, y por presentar baja transmisión al vapor de agua. A pesar de que posee alta permeabilidad a los gases, el material presenta una excelente estabilidad térmica, lo que hace que se pueda trabajar en un amplio rango de temperaturas sin que exista degradación térmica. Esto permite que se pueda coextruir con otros materiales generando mejores barreras (Giles, Wagner, & Mount, 2014). El polietileno de baja densidad, debido a su mayor flexibilidad respecto al polietileno de alta densidad, se utiliza para fabricar láminas y bolsas que contienen gran variedad de productos como lo son: granos, azúcar, ensaladas, lácteos, embutidos y muchos otros más. Así como, bandejas y tapas moldeadas por inyección. Por otro lado, se usa en la producción de empaques laminados multicapas como tetra pack® y doypack®. Las propiedades de este polímero se detallan en el Cuadro 4.1. 26 4.2.4 Policloruro de Vinilo (PVC) El policloruro de vinilo es producto de dos de los recursos naturales de la tierra, sal y aceite. El cloro, la soda caústica y el hidrógeno son productos de la hidrólisis del agua salada, mientras que al refinar aceite se obtiene nafta y etileno. El cloro y el etileno se combinan para formar el cloruro de vinilo (Ver Figura 4.3), monómero que se polimeriza para formar el policloruro de vinilo (Leadbitter, Day, & Ryan, 1997). Figura 4.3. Estructura química del policloruro de vinilo Fuente: (Ebewele, 2000) Este material que se utiliza principalmente en la fabricación de plástico auto-adherible transparente puesto que es un material de bajo costo y, debido a su alta elongación de quiebre y a su resistencia a la tensión, posee amplia capacidad de estiramiento lo que hace que sea fácil extruirlo en láminas (Chin, 2010). En el Cuadro 4.1 se detallan las propiedades del PVC. El policloruro de vinilo se puede encontrar en el mercado como film en el empaque de carnes, frutas y vegetales en bandejas y como láminas termoencogibles para etiquetar productos. 4.2.5 Polipropileno (PP) Este polímero se genera al polimerizar gas propileno de alta pureza que se recupera de los desechos gaseosos en plantas de olefinas y refinadoras (Ebewele, 2000). Su monómero se observa en la Figura 4.4. Figura 4.4. Estructura química del polipropileno Fuente: (Ebewele, 2000) 27 El polipropileno tiene alta resistencia a la tensión, compresión y corte, buenas propiedades de aislamiento eléctrico y térmico y tiene una baja permeabilidad al vapor de agua y a las grasas. Durante su producción, al forzar la estructura cristalina del material a ordenarse, se obtiene polipropileno bi-orientado (BOPP). La principal característica que posee es que evita la entrada y salida de humedad, por lo que sus aplicaciones se orientan principalmente al mercado masivo de galletas, snacks, chocolates, alfajores y caramelos (Papaleo, 2010). Este material se encuentra comercialmente en su forma natural o se lamina para requerimientos específicos obteniendo empaques perlados (opacos) o metalizados. Por las características descritas anteriormente, es utilizado en burbujas contenedoras de frutas y vegetales, así como bolsas y láminas para el empaque de dulces, vegetales, entre otros. Es especialmente útil en el empaque de productos secos como lo son galletas y productos de panificación. En el Cuadro 4.1, se presentan las principales propiedades de este polímero. 4.2.6 Poliestireno (PS) El poliestireno es el producto de la polimerización del monómero estireno que se observa en la Figura 4.5. Este es un polímero lineal que es bastante resistente a los álcalis, haluros de ácidos, agentes oxidantes y reductores, es muy estable y su fluidez lo hace ideal para moldeo por inyección (Billmeyer, 2004). Figura 4.5. Estructura química del poliestireno Fuente: (Ebewele, 2000) Es un buen aislante eléctrico, posee una alta rigidez y posee buena resistencia a altas temperaturas (Chin, 2010). Se utiliza comúnmente en envases moldeados por inyección para productos como yogurt y en bandejas de estereofón en su forma expandida para el empaque de carnes, frutas y vegetales frescos. Algunas de sus principales propiedades se muestran en el Cuadro 4.1. 28 4.2.7 Poliamida (PA) Las poliamidas se conocen también con el término genérico nylon. Se caracterizan por tener un grupo amida en su monómero (ver Figura 4.6). Entre las poliamidas, el nylon 6,6 y el nylon 6 son de mayor importancia comercial ya que ofrecen un buen balance entre sus propiedades y el costo económico (Ebewele, 2000). Figura 4.6. Estructura química del policaprolactama (nylon 6) Fuente: (Ebewele, 2000) El nylon 6 posee alta resistencia contra aceites, grasas, solventes, sustancias alcalinas y resiste un amplio rango de temperaturas, por lo que se utiliza para láminas y mallas para empaque de frutas y verduras (PAFA, 2011). Se utiliza en la fabricación de bolsas para empaque al vacío. Sin embargo, posee una alta tasa absorción de agua por lo que no es recomendable para el empaque de productos húmedos. En el Cuadro 4.1 se observan en detalle las propiedades correspondientes al nylon 6. 4.2.8 Alcohol Etilenvinílico (EVOH) El polialcohol vinílico, etileno alcohol de vinilo o alcohol etilenvinílico posee una estructura cristalina muy similar a la del polietileno, donde el grupo CHOH (ver Figura 4.7) de este puede encajar en lugar de un grupo CH2 del polietileno (Billmeyer, 2004). Figura 4.7. Estructura química del alcohol etilenvinílico Fuente: (Ebewele, 2000) Este material posee excelentes propiedades como barrera de gases, tiene buena resistencia contra grasas, alta rigidez y alta fuerza de impacto, pero presenta un alto porcentaje de 29 absorción de agua por lo que es útil en el empaque de alimentos libres de humedad. En el mercado, se utiliza para el embalaje de frutas, quesos, salsas, yogurts, etc. En capas de empaques laminados, se utiliza para productos que requieren atmósfera modificada como carnes y vegetales. En el Cuadro 4.1 se detallan algunas propiedades de este polímero. 4.2.9 Poliuretano (PU) Poliuretano es el nombre genérico dado a los polímeros que presentan un grupo uretano en sus cadenas, como se observa en la Figura 4.8. Figura 4.8. Estructura química del poliuretano Fuente: (Ebewele, 2000) El poliuretano presenta alta resistencia mecánica, a la abrasión, a los gases, a las grasas, a los aceites y a los hidrocarburos (Ebewele, 2000). Es un material poroso y resistente. Se utiliza principalmente a bajas temperaturas, menores a la ambiente (Bayer, 2008). Actualmente, es usado para empacar carnes, verduras y frutas en bandejas. La espuma de poliuretano sirve como material para el embalaje de distintos productos. En el Cuadro 4.1 se presentan sus principales propiedades. 4.2.10 Celofán Polímero natural derivado de la celulosa que posee muy buenas propiedades de sellado al calor (ITDG, 1999). Se utiliza principalmente para bolsas de empaque. Es una película fina similar al papel, transparente, flexible, resistente a la tracción pero muy fácil de cortar y es aislante de la humedad (Nieto A., 2011). Este material es utilizado en envases para carnes y alimentos húmedos, ya que evita la transmisión de agua al exterior, chocolates y confitería, entre otros. Actualmente, el término celofán se usa comúnmente para referirse a diversas películas plásticas, principalmente de polipropileno, material que ha sustituido al celofán por sus menores costos de fabricación. Algunas de sus principales propiedades se muestran en el Cuadro 4.1. 30 En Costa Rica, hay tres laboratorios para la determinación o medición de características de polímeros. El Laboratorio de Polímeros de la Universidad Nacional (POLIUNA) 5 realiza pruebas para la medición de propiedades en estos como lo son tensión, compresión, deformación, flexión, análisis térmicos, absorción de agua, gramaje, densidad, grosor de películas, resistencia a agentes químicos, resistencia al impacto, transmisión de vapor, tensión superficial y viscosidad. El Laboratorio de Polímeros del Centro Nacional Especializado en Tecnología de Materiales del Instituto Nacional de Aprendizaje 6 realiza las pruebas de índice de fluidez, porcentaje de humedad, densidad, pruebas mecánicas, dureza shore A y D, pruebas de impacto, temperatura de deformación bajo carga (HDT) y temperatura de reblandecimiento (VICAT), espectroscopia infrarroja, calorímetría de corrido diferencial y análisis termogravimétricos. Por último, en el Laboratorio Nacional de Nanotecnología (LANOTEC), del Centro Nacional de Alta Tecnología (CENAT) 7, se realizan análisis y caracterización de materiales. Entre las pruebas que realizan se encuentra el estudio de su microestructura mediante microscopía de fuerza atómica (AFM) y el análisis térmico de materiales mediante termogravimetría (TGA) y calorimetría diferencial de barrido. Adicionalmente, realizan modelos matemáticos y simulación de: sistemas fisicoquímicos, propiedades mecánicas de materiales y estructuras nanométricas, procesos de fabricación de materiales micro y nanométricos, nanofluidos, dispositivos micro/nanoelectromecánicos, fenómenos cuánticos en materiales y elementos nanoestructurados y nanolitografía. 4.3 Impacto Ambiental Para evaluar el impacto ambiental de un material se deben tomar en cuenta algunos parámetros, como el consumo de recursos, consumo de energía, producción total de desechos, emisiones de gases de invernadero, descargas de agua y desecho de contaminantes de aire regulados (Rudnik, 2008). Muchos de los empaques poliméricos usados actualmente no son biodegradables por lo que la acumulación de los residuos de estos es un creciente problema. Estos empaques corresponden a gran parte de los desechos sólidos domésticos y en países industrializados un 4% no son 5 Sitio web: http://www.poliuna.una.ac.cr/ Tel: 2277-3557 / 2277-3355 6 Tel: 2210-6225 / 2210-6207 7 Sitio web: http://www.cenat.ac.cr/gestion-ambiental/lanotec/resena Tel: 2519-5838 31 reciclables, lo que representa miles de toneladas. A nivel mundial, aproximadamente un 60% de los desechos que se encuentran en las costas son materiales poliméricos. El mayor problema radica en el amplio período de descomposición que poseen, donde en promedio tardan unos 240 años en degradarse (Carranza, Duffo, & Farina, 2010). Entre las medidas tomadas para contrarrestar la acumulación se encuentra la incineración, la cuál es sumamente problemática ya que algunos polímeros emiten gases tóxicos al ser quemados, especialmente en el caso del PVC, el cual libera cloruro de hidrógeno. Algunas compañías han optado por producir empaques más delgados lo que únicamente atenúa el problema ya que se producen desechos pero en menor cantidad. En 1988, tras notar que el reciclaje ayuda a disminuir el consumo de petróleo, la SPI (Plastics Industry Trade Association) creó un sistema de numeración de resinas reciclables para ayudar a preservar los recursos naturales separando y reciclando los materiales poliméricos (SPI, 2012). El sistema fue posteriormente lanzado como una norma ASTM (D7611 / D7611M), para estandarizar el sistema a nivel mundial y favorecer su aplicación. A pesar de los esfuerzos de algunas compañías por reducir el problema mediante campañas de reciclaje, en el 2008 las cifras de material reciclado alcanzaron valores tan bajos como un 23% del total de desechos producidos (Chin, 2010). Esto es originado por el hecho que para reutilizar los materiales reciclados se deben cumplir ciertos estándares de calidad e inocuidad y por esta razón, la mayoría de los centros de reciclaje solo reciben algunos tipos de plástico que son más fáciles de tratar como los son el PET y el HDPE. Otra solución planteada es el uso de “plásticos oxo-biodegradables”. Consiste en agregar un aditivo en la formulación de la resina polimérica en una cantidad determinada según la vida útil requerida del empaque, lo que hace que se degrade en unos pocos años. Según CACIA (2009), este tipo de material genera un menor impacto ambiental ya que el aditivo se encarga de desintegrarlo y reincorporarlo al suelo mediante dos etapas, la primera consiste en la fragmentación por oxidación y la segunda es la degradación. Empresas que utilizan este método aseguran que no hay migración del aditivo hacia los alimentos según pruebas de laboratorio realizadas. El aditivo conocido como d2w cumple con 32 las normas FDA (Food and Drug Administration) para su uso con alimentos (Peregrine, 2013). Sin embargo, algunos ambientalistas resaltan que los materiales oxo-biodegradables contienen aditivos (d2w) que rompen el plástico en pequeñas partículas que se quedan en el ambiente, potencialmente causando mayor daño a largo plazo (Todorova, 2013). Existen los “plásticos biodegradables” que se generan a partir de fibras naturales pero su costo es mucho mayor que el de usar resinas tradicionales y se desvían materias primas que servirían para alimentación del ser humano y los animales. Actualmente existen métodos de reciclaje que permiten que se obtengan las características de la resina virgen. En Costa Rica, la compañía New World Recycle utiliza los envases de polietileno tereftalato obtenidos de distintos centros de acopio para generar resina reciclada con el nombre de RPET que posteriormente se utiliza para la formulación de nuevos productos, incluidos los envases de productos alimentarios y no alimentarios. 4.4 Empaques poliméricos en Costa Rica El uso de empaques poliméricos en el país está en constante crecimiento, esto por el desarrollo de nuevas tecnologías de empaque, así como alternativas de reuso y reciclaje por el crecimiento de la conciencia ecológica en el país. A continuación se presenta la oferta de empaques poliméricos en el país, ya sean de producción local o importados. 4.4.1. Oferta El término oferta, para efectos del presente documento, se refiere a “un producto puesto a la venta” (RAE, 2001). En esta sección, se establece la oferta de empaques poliméricos en el mercado costarricense tanto en empaques producidos a nivel nacional como en empaques importados del exterior. Empaques importados A partir del portal estadístico de comercio exterior de PROCOMER, se obtuvieron datos comparativos de las importaciones mensuales de los diferentes tipos de empaques poliméricos a través del año 2013, así como de las importaciones anuales para los años 2012 y 2013. Cabe 33 destacar que los datos no se presentan en unidades del sistema internacional para no variar los valores obtenidos de la fuente. Cuando un artículo se tasa CIF significa que el precio de venta incluye el coste de la mercancía, el del transporte y el seguro marítimo. Este valor coincide con el valor en la aduana de importación de la mercancía (WTSC, 2010). En el Cuadro 4.2 se muestran los ingresos en CIF obtenidos mediante la importación de empaques poliméricos en el primer semestre del 2013. Se observa que por producto, las cantidades varían poco con el paso de los meses pero se observa una tendencia a mayores importaciones durante el mes de abril y menores durante los meses de febrero y marzo. Cuadro 4.1. Ingresos provenientes de empaques importados durante el primer semestre del 2013 en valor CIF Producto Valor CIF (miles de US$) Ene Feb Mar Abr May Jun Placas, láminas, hojas, tiras y demás formas planas 14 655,83 12 184,48 11 759,63 17 240,06 13 964,73 13 759,27 Tapones, tapas y demás dispositivos de cierre 1815,30 1292,51 1374,83 1741,87 1652,67 1295,98 Bobinas, carretes, canillas y soportes similares 1614,69 1579,15 1296,89 1951,54 1742,09 1938,57 Bombonas, botellas, frascos y artículos similares 77,71 82,05 62,73 69,87 176,65 73,04 Sacos y bolsas de los demás polímeros 2000,68 2077,09 2814,75 2676,55 2165,30 2911,68 Sacos y bolsas de polímeros de etileno 1889,50 2244,24 1875,35 2217,88 2409,00 2189,99 Cajas, cajones, jaulas y similares 3283,01 2885,66 2867,14 3275,51 3095,24 3018,90 OTROS 721,14 1051,15 1060,37 1192,80 1386,56 1128,27 TOTAL 26 057,87 23 396,32 23 111,70 30 366,08 26 592,24 26 315,70 Fuente: (PROCOMER, 2014) Estos ingresos incluyen las importaciones de empaques poliméricos para los distintos sectores de la industria, es decir, no es información exclusiva para la industria de alimentos. Sin embargo, los datos ofrecen un panorama de los empaques disponibles en el mercado. 34 En el caso del segundo semestre del 2013, como se observa en el Cuadro 4.3, nuevamente por producto se importan cantidades similares a través de los meses, pero en este caso, se mantienen en valores mayores a las del primer semestre. Se observa una tendencia a mayores importaciones durante el mes de agosto y menores durante el mes de septiembre. Cuadro 4.2. Ingresos provenientes de empaques importados durante el segundo semestre del 2013 en valor CIF Producto Valor CIF (miles de US$) Jul Ago Set Oct Nov Dic Placas, láminas, hojas, tiras y demás formas planas 15 377,33 16 279,90 14 101,26 17 851,71 22 986,77 12 355,15 Tapones, tapas y demás dispositivos de cierre 1819,69 21671,69 1266,49 1579,55 1707,20 1592,18 Bobinas, carretes, canillas y soportes similares 1723,62 1584,86 1711,91 2178,51 1760,37 1762,27 Bombonas, botellas, frascos y articulos similares 69,93 119,56 103,68 97,29 47,18 44,83 Sacos y bolsas de los demás polímeros 2058,01 2066,40 1434,65 2051,75 2301,92 2184,22 Sacos y bolsas de polímeros de etileno 1875,96 2469,62 2115,32 1867,46 2183,69 1658,64 Cajas, cajones, jaulas y similares 2609,81 2715,18 2459,49 3368,23 2933,32 3489,26 OTROS 975,79 993,13 856,77 1446,16 1014,11 1017,60 TOTAL 26 510,14 47 900,35 24 049,57 30 440,66 34 934,55 24 104,14 Fuente: (PROCOMER, 2014) De los datos anteriores se observa que los productos con mayores importaciones a nivel monetario son las cajas, cajones, jaulas y similares que se utilizan para transportar y estibar tanto materias primas como productos terminados, es decir, como empaque secundario. Las bombonas, botellas, frascos y artículos similares son las que obtienen las menores importaciones a nivel monetario. Esto se debe al bajo costo de este tipo de productos en el país. En el Cuadro 4.4 se muestran los ingresos por importaciones de empaques poliméricos en los años 2012 y 2013. Mediante estos datos se determina que con la excepción de sacos, bolsas y cucuruchos de polímeros distintos al polietileno y cajas, cajones, jaulas y similares, todos los 35 productos aumentaron sus importaciones de un año al siguiente, lo que se debe, como se mencionó anteriormente, al creciente uso de estos materiales en empaque. Cuadro 4.3. Ingresos provenientes de empaques importados durante los años 2012 y 2013 en valor CIF Producto Valor CIF (miles de US$) 2012 2013 Placas, láminas, hojas, tiras y demás formas planas 158 291,86 182 516,12 Tapones, tapas y demás dispositivos de cierre 17 988,06 20 844,47 Bobinas, carretes, canillas y soportes similares 966,80 1024,52 Bombonas, botellas, frascos y articulos similares 26 207,40 26 743,00 Sacos y bolsas de los demás polímeros 26 896,18 24 996,65 Sacos y bolsas de polímeros de etileno 35 557,57 36 000,75 Cajas, cajones, jaulas y similares 14 332,24 12 843,85 OTROS 19 691,35 38 809,96 TOTAL 299 931,46 343 779,32 Fuente: (PROCOMER, 2014) Visto de otra manera, en los Cuadros 4.5 y 4.6 se muestran las toneladas mensuales importadas durante el año 2013, donde se observa un comportamiento equivalente a los Cuadros 4.2 y 4.3. En el Cuadro 4.7, se muestran las importaciones anuales en toneladas para los años 2012 y 2013. Cuadro 4.4. Toneladas importadas de empaques durante el primer semestre del 2013 Producto Toneladas Mensuales (ton) Ene Feb Mar Abr May Jun Placas, láminas, hojas, tiras y demás formas planas 3815,59 3261,00 2977,32 4451,27 3684,71 3569,46 Tapones, tapas y demás dispositivos de cierre 267,15 257,15 256,27 358,19 297,63 228,92 Bobinas, carretes, canillas y soportes similares 320,48 314,23 415,20 432,59 753,86 400,77 Bombonas, botellas, frascos y articulos similares 14,49 22,40 10,37 15,18 23,74 13,60 Sacos y bolsas de los demás polímeros 649,84 743,40 945,52 940,38 714,32 1041,33 Sacos y bolsas de polímeros de etileno 371,83 540,03 466,57 396,89 500,80 491,30 Cajas, cajones, jaulas y similares 756,60 730,91 742,72 817,07 835,94 821,84 OTROS 235,77 471,61 400,20 506,83 732,45 574,87 TOTAL 6431,76 6340,73 6214,17 7918,40 7543,44 7142,07 Fuente: (PROCOMER, 2014) 36 Cuadro 4.5. Toneladas importadas de empaques durante el segundo semestre del 2013 Producto Toneladas Mensuales (ton) Jul Ago Set Oct Nov Dic Placas, láminas, hojas, tiras y demás formas planas 4371,03 4071,57 3770,24 4596,27 3933,60 3421,75 Tapones, tapas y demás dispositivos de cierre 338,60 230,60 199,04 287,89 287,51 311,62 Bobinas, carretes, canillas y soportes similares 349,10 329,51 450,35 538,53 359,84 314,18 Bombonas, botellas, frascos y artículos similares 10,88 15,17 16,37 19,67 10,30 12,23 Sacos y bolsas de los demás polímeros 676,06 632,19 504,86 678,91 790,05 734,29 Sacos y bolsas de polímeros de etileno 364,93 488,46 372,35 309,05 453,70 378,00 Cajas, cajones, jaulas y similares 670,80 1110,34 741,17 879,19 802,30 903,19 OTROS 465,11 439,92 394,67 479,60 559,06 426,18 TOTAL 7246,51 7317,76 6449,05 7789,09 7196,36 6501,45 Fuente: (PROCOMER, 2014) Cuadro 4.6. Toneladas importadas de empaques durante los años 2012 y 2013 Producto Toneladas Anuales (ton) 2012 2013 Placas, láminas, hojas, tiras y demás formas planas 42 114,19 45 923,80 Tapones, tapas y demás dispositivos de cierre 3148,27 3320,58 Bobinas, carretes, canillas y soportes similares 3863,80 4978,63 Bombonas, botellas, frascos y articulos similares 181,08 184,41 Sacos y bolsas de los demás polímeros 8678,85 9051,16 Sacos y bolsas de polímeros de etileno 5474,73 5133,91 Cajas, cajones, jaulas y similares 8972,39 9812,05 OTROS 5159,04 5686,26 TOTAL 77 592,36 84 090,79 Fuente: (PROCOMER, 2014) En este caso, los productos con mayores importaciones a nivel cuantitativo son las placas, láminas, tiras, hojas y demás formas planas que se utilizan para envolver una gran variedad de productos ya sean con bandejas o sin estas. Las bombonas, botellas, frascos y artículos similares son las que obtienen las menores importaciones también a nivel cuantitativo. Esto se 37 debe a la alta producción a nivel nacional de este tipo de productos, ya que son ampliamente utilizados especialmente en la industria de producción y envasado de bebidas. Las principales exportaciones del sector plástico en el país corresponden a manufacturas de botellas y dispositivos de cierre, donde el 36% de las exportaciones en 2010 correspondió a este tipo de productos (Calderón, Chacón, & Gutiérrez, 2011). Empaques producidos en el país En el año 2004, Proexport Colombia realizó un estudio de mercado del sector de empaque y envase de Costa Rica del cual se obtuvo información con respecto a la situación de empaque plástico en el país. En el Cuadro 4.8 se presenta el consumo de materias primas políméricas, el cuál está liderado por polietileno, ya sea de alta o baja densidad con aproximadamente un 55 % del consumo para el 2004. Este es seguido por el PVC con aproximadamente un 24 %, sin embargo, este es más utilizado en el país para la fabricación de tuberías y accesorios que para empaques. La materia prima menos importada es el poliestireno con menos de un 5 %. En los Cuadros A.1 y A.2 del apéndice, se muestran la producción nacional del sector plástico y el consumo de la industria de envasado para dicho año, respectivamente. Cuadro 4.7. Consumo de materias primas poliméricas en el país para el año 2004 Tipo Ton mensual Ton Anual HDPE y LDPE 7200 86 400 PP 1510 18 120 PS 510 6120 PVC 3200 38 400 PET 800 9600 Fuente: (Proexport Colombia, 2004) Los datos anteriormente suministrados para el año 2004 fueron obtenidos por Proexport Colombia a partir de información de la Asociación Costarricense de la Industria Plástica (ACIPLAST), sin embargo, no se lograron obtener datos actualizados porque las empresas del sector plástico actualmente no suministran información sobre los empaques producidos a ACIPLAST. 38 Para tener una idea de la importancia de los empaques poliméricos en la industria de alimentos de Costa Rica, se pueden contabilizar la cantidad de industrias que producen y/o distribuyen este tipo de empaques en el país. En el Cuadro 7.9 se presenta un directorio con las principales empresas de esta área de la industria. 4.5 Criterios de Selección de Empaques A los empaques se les atribuyen cuatro funciones: protección, comunicación, conveniencia y almacenamiento. Es decir, el empaque debe proteger el alimento del ambiente, comunicarle al comprador las características e ingredientes presentes en el alimento, ser conveniente a la hora de consumir el producto y almacenar productos de varios tamaños y formas (Yam, Takhistov, & Miltz, Intelligent Packaging: Concepts and Applications, 2005). El empaque cumple una gran función en el mercadeo de los productos, ya que los humanos son altamente visuales, es decir, procesan gran cantidad de información a través de la vista. Por esta razón, la mayoría de los diseños de los empaques son muy llamativos (López, 2011). A la hora de elegir el material de empaque correcto para determinado alimento, se debe tomar en cuenta una serie de características descritas a continuación (Catalá & Gavara, s.f.). 4.5.1. Apariencia del empaque: Según el mercado al que se dirige el producto se debe escoger un empaque que sea seguro y llamativo. Este debe considerar el uso destinado del producto, ya sea industrial o doméstico, y la cantidad de producto a almacenar. La apariencia del empaque está relacionada con las propiedades físicas del producto a almacenar en este, algunas de las cuales son forma, color, tamaño, textura, frescura, brillo, estado (líquido o sólido), sensibilidad a la luz y sólidos disueltos. Dichas propiedades definen si se requieren empaques transparentes para apreciar el producto, empaques opacos o rígidos para protegerlo e incluso el tipo, ya sean botellas, bolsas o recipientes. 39 4.5.2. Interacción empaque-producto: La interacción que ocurre entre el material de empaque y el producto contenido es fundamental en la determinación de calidad y seguridad. Cambios en el producto debidos a la absorción de aromas y la transferencia de sabores no deseados del empaque al alimento son mecanismos importantes de deterioro (Hotchkiss, 1997). Según Fellows (2000), los principales tipos de interacción empaque – alimento en empaques poliméricos son: Migración de plastificantes, pigmentos, iones metálicos y otros compuestos hacia el alimento: la migración de sustancias desde el material de empaque hacia el alimento es el principal mecanismo de contaminación por lo que la FD