Recolección del material vegetal

Se realizó en la ciudad de Loja y cantones de la provincia, mediante un corte manual, tomando como referencia la madurez y tamaño de las hojas y tallos. La colección de las plantas se llevó a cabo con la autorización Nº001-IC-FLO-DBAP-VS-DRLZCH-MA-2009 del Ministerio del Ambiente del Ecuador, y fueron clasificadas taxonómicamente por el Herbario de la Universidad Nacional de Loja (HUNL). La sistemática y nomenclatura de las especies reportadas en este estudio, estuvo basada en el “Catálogo de plantas vasculares del Ecuador” (^{Jorgensen & León, 1999}). En el material recolectado se eliminan las hojas secas y en mal estado, los tallos pequeños, hojas y flores. En la Tabla 1 se indica la localización y principales características de las especies estudiadas.

Las muestras recolectadas fueron tratadas de acuerdo con la siguiente metodología:

Preparación de las muestras: Se realizó siguiendo la norma TAPPI T-11 m-59.

Determinación de solubles en alcohol-benceno: La determinación de extractos solubles en la mezcla etanol-benceno, se realizó de acuerdo con la norma TAPPI T-6 os-59. El porcentaje de extracto (%Extr) fue calculado por medio de la siguiente ecuación:

Determinación de celulosa total: En esta prueba los constituyentes no celulósicos de la planta se vuelven solubles por cloración. La prueba se realizó siguiendo la norma TAPPI T 17 m-55. El porcentaje de celulosa total (%Cel_T) fue calculado usando la ecuación (2).

Dónde: P_bf, P_b0 y P_ms, corresponden al peso final del balón, peso inicial del balón y peso de muestra seca, respectivamente.

Extracción mecánica de la fibra: Se realizó en un molino de rodillos para la eliminación de líquidos enzimáticos, agua, ácidos orgánicos y demás elementos de bajo peso molecular denominados extractivos. Las fibras extraídas son lavadas con agua potable para eliminar impurezas ajenas a la fibra, partes de cortezas y hojas no molidas, y posteriormente se secan entre 35 y 50 ºC durante 2 días.

Cocción de la fibra extraída: Se utilizó un recipiente de acero inoxidable, con una solución a 10 % de NaOH y un tiempo de 50 minutos (^{Aguilar et al., 2007}). Con este proceso se desea eliminar gran parte de lignina, otras impurezas y suavizar las fibras sin causar deterioro. El lavado de las fibras se realizó con agua potable hasta un pH comprendido entre 6.5 y 7.5. Las fibras se secaron entre 35 y 50 ºC durante 2 días y almacenadas en fundas de polietileno a temperatura ambiente en un lugar fresco y seco.

Determinación de alfa, beta y gamma celulosa (norma TAPPI T-203 os-61): Consiste en tratar la muestra con una solución acuosa al 17.5 %p de NaOH durante 45 min, reduciendo luego dicha concentración a 8.3 %p para precipitar la α-celulosa, permaneciendo en solución la beta (β. cel) y gamma (γ. cel) celulosa. El porcentaje de alfa celulosa (% α.cel) fue calculado usando la ecuación (3).

Se toma una alícuota del filtrado separado en la determinación de alfa celulosa, y se acidifica con solución de ácido acético hasta alcanzar un pH comprendido entre 6 y 7 para precipitar la β-celulosa. El precipitado formado se separa por filtración, lavando con agua destilada, luego se seca en la estufa a 105 ˚C hasta peso constante. El porcentaje de beta celulosa (% β.cel) se calculó usando la ecuación (4).

Dónde: V₁ y V₂ corresponden al volumen de filtrado alcalino total y volumen de alícuota utilizada en la prueba. El porcentaje de gamma celulosa (% γ.cel) se obtuvo restando de 100 %, los valores de (% α.cel) y (% β.cel):

Elaboración del papel: 100 gramos de fibra cocida fueron licuados con agua potable hasta alcanzar un volumen total de 2600 mL, por un tiempo de 15 min con el objeto de realizar el desfibrado de las fibras. Posteriormente, se adicionaron 500 mL de una solución de carboximetilcelulosa (CMC) preparada al 2.5 % p/v, 1800 mL de mucílago (gel usado como floculante obtenido a partir de Opuntia ficus-indica) y agua, homogenizando mediante agitación manual. Finalmente, se fabricó el papel haciendo uso de marcos de madera provistos de una malla metálica, que deja escapar el exceso de agua y retiene las fibras. El secado fue realizado a temperatura ambiente sobre una superficie lisa y absorbente.

Control de calidad del papel elaborado: Se determinaron las siguientes propiedades, utilizando normas técnicas ecuatorianas del Instituto Ecuatoriano de Normalización (INEN): pH INEN 1418, humedad INEN 1397, número de Kappa y lignina residual INEN-ISO 302. La determinación del Gramaje se realizó según la norma INEN 1398, acondicionando las muestras de acuerdo con la norma INEN 1396: atmósfera acondicionada a 23 °C ± 2 y humedad relativa 50% ±2.

Las medidas de la resistencia a la explosión, se realizaron en el Laboratorio de envase y embalaje de la Escuela Politécnica Nacional de Quito, siguiendo la norma TAPPI T 403 ts-63, realizando el acondicionamiento del papel según la norma TAPPI T 402. Para la determinación del contenido de cenizas se utilizó la norma TAPPI T211 om-93. El contenido de SiO₂ se determinó a partir de las cenizas de cada muestra de papel artesanal elaborado con una pistola de fluorescencia de rayos X, modelo TURBO S1 de la marca BRUKER.

El gramaje se define como la masa de una unidad de área de papel o cartón determinada por un método de ensayo normalizado. La medida de pH se realiza por medio de un pH-metro, en un extracto acuoso donde está suspendido el papel cortado en trozos pequeños. El volumen específico (V_ep) del papel en cm³/g se calculó dividiendo el espesor (en mm) entre el gramaje de la hoja (g/m²) aplicando la ecuación (6):

Análisis Multicriterio: El Análisis Multicriterio consiste en la evaluación de una serie de alternativas basándose en diferentes criterios. Un método de evaluación multicriterio puede servir para inventariar, clasificar, analizar y ordenar convenientemente una serie de alternativas, a partir de los criterios que se hayan considerado pertinentes en la evaluación. Se parte de una serie de alternativas definidas y una serie de criterios que se consideran pertinentes para evaluarlas y se confecciona una matriz de evaluación en la que se asigna una puntuación a cada alternativa según cada criterio (^{Gómez et al., 2006}).

Propiedades del papel elaborado

La Tabla 4 resume las principales características del papel elaborado a partir de las fibras extraídas de las plantas estudiadas. Los resultados de humedad (% humedad) en el papel elaborado varían entre 7 y 11 %, y se encuentran dentro del intervalo reportado en la bibliografía. La humedad en el papel afecta propiedades tales como impresión, encogimiento, combado y resistencia física (^{Casey, 1990}). En las hojas elaboradas no se observó encogimiento, resultando adecuadas para usos manuales e impresión.

Los valores de pH oscilan entre 7.3 a 9. Existe un interés creciente en los papeles con pH alcalino para usos que requieren permanencia y durabilidad, además de degradarse más rápido creando menores problemas ambientales.

Los valores de espesor de las hojas de papel artesanal elaboradas varían entre 0.29 y 0.57 mm, con valores de gramaje entre 61 y 146 g/ m². Existe una variedad de papeles con espesor entre 0.06 y 0.59 mm con valores de gramaje entre 22-25 g/m² para papel de cigarrillos y de 120 a 300 g/m² para cartón. Ocho de las quince especies estudiadas producen hojas de papel con gramajes > de 100 g/m² y espesor entre 0.29 y 0.57 mm, estas características podrían ubicar al papel elaborado como un papel artesanal para trazados, que puede usarse en la elaboración de tarjetas, pinturas y obras decorativas. El amplio intervalo de gramaje en el papel elaborado, puede ser debido a la variedad de plantas usadas.

Los valores de volumen específico del papel elaborado están en el intervalo 2.64-5.63 cm³/g, estos valores son altos comparados con valores reportados en la bibliografía, ya que en cada caso se trata de diferentes materias primas, o bien, de diferentes procesos de producción. Para un gramaje fijo el volumen es proporcional al espesor del papel, en el presente estudio los papeles elaborados tienen variados espesores y gramajes, y no parece haber una correlación definida entre estos dos parámetros. Por ejemplo, el papel obtenido a partir de Sida poeppigiana con el menor espesor (0.28 mm) tiene un valor de gramaje comparable con el papel de mayor espesor (0.57 mm) obtenido a partir de Guadua angustifolia.

La lignina es uno de los biopolímeros más abundantes en las plantas y junto con la celulosa y la hemicelulosa conforma la pared celular de las mismas. La composición o distribución de los tres componentes en esas redes varía dependiendo del tipo de planta. El número de kappa, N° Kappa, es una medida directamente proporcional al contenido de lignina en la pulpa (^{Saijonkari, 2001}). Este número representa el volumen de solución de KMnO₄ 0.1N consumido por 1 g de pulpa. Los valores del número de Kappa entre 12-18 y de lignina residual entre 1.54 -2.31 (Tabla 4), mostraron poca variación y fueron menores a los reportados para pulpas obtenidas a partir de fibras de madera (^{Chávez & Domine, 2013}).

El porcentaje de cenizas entre 0.78-2.69, representa el contenido de relleno en el papel. Es una propiedad poco importante del papel, algunos tipos de papeles como los papeles de filtro no contienen cenizas y otros como el papel de cigarrillos, tienen cierto nivel de carga para controlar la velocidad de combustión del cigarrillo. El porcentaje de sílice (SiO₂) determinado en las cenizas del papel elaborado, está entre 4.3 y 20.5 %p, un valor relativamente alto, debido a que las plantas no leñosas se caracterizan por tener un alto contenido de sílice entre 0.5 % -5 %, en relación con la madera a menos de 0.1 % (^{Biermann, 1996}). La sílice causa problemas en la elaboración y en la calidad del papel para impresión (^{Bajpai, 2017}).

La resistencia a la explosión es la resistencia que ofrece una hoja a ser rota por una fuerza no puntual, cuyo vector es perpendicular a su plano (^{Nuñez, 2005}). Los valores de resistencia a la explosión varían en un amplio intervalo 0.63- 27.50 lbf/pulg², como se puede observar en la Tabla 5. Este parámetro es muy importante, ya que indica la resistencia del papel y la cohesión de las fibras que lo constituyen. Representa cuánta presión puede soportar el papel antes de romperse, es particularmente importante para papeles destinados a la manufactura de bolsas.

Un parámetro comúnmente reportado es el índice de explosión, definido como la resistencia a la explosión en kPa, dividido entre el gramaje del papel en g/m². A fin de comparar con los valores reportados en otros trabajos. En la tabla 5 se muestran los valores de resistencia a la explosión medidos en lbf/pulg², y convertidos a kPa para calcular el índice de explosión en las unidades kPa*m ² /g.

A efectos de comparación, en la Tabla 6, se muestran valores reportados en la bibliografía para algunos de los parámetros determinados en este estudio. En el caso del índice de explosión, once especies de las plantas estudiadas en el presente trabajo, producen un papel con índice de explosión entre 0.04 y 0.76, comparables a los valores reportados por ^{Chiluiza y Hernández (2009)}. ^{Benítez et al. (2019)} obtienen un valor mayor del índice de explosión para papel artesanal a partir de Bamboo (Guadua angustifolia), debido probablemente a diferencias en el tratamiento alcalino. Las hojas de papel producidas a partir de las especies Agave, Alcea rosea y Saccharum officinarum tienen índice de explosión entre 1.53-1.75 kpa*m ² /g comparables con los reportados. Plantas monocotiledóneas como Saccharum officinarum, poseen fibra que se deriva del tejido vascular, la cual proporciona resistencia al papel fabricado a partir de ella (^{Biermann, 1996}).

Análisis multicriterio

Para el análisis multicriterio se tomaron en cuenta las siguientes consideraciones:

Si se tienen varios criterios con diferentes escalas (dado que ellos no se pueden sumar directamente), se requiere un proceso previo de normalización para que pueda efectuarse la suma de las contribuciones de cada uno de ellos. Para evaluar la contribución de los parámetros seleccionados, esto es la Función de utilidad (F.u), se estableció una escala lineal entre el valor máximo y el valor mínimo de cada parámetro, entre los límites de 1 y 0 (cero). En el caso de los parámetros que influyen positivamente %R_gc, % α-celulosa, % γ-celulosa y Rexplosión, se le asignó al valor máximo de cada parámetro el límite de 1 y para el valor mínimo el límite de 0 (cero). Para los parámetros que influyen negativamente se realizó la asignación contraria, es decir, al valor mínimo se le asignó el límite de 1 y al máximo el límite de cero (0). Realizando estas asignaciones se determinó una línea recta con el par de valores máximo y mínimo, y así llevar los valores medidos de los parámetros a la escala lineal establecida. En la Tabla 8, se muestran los valores máximos y mínimos de cada parámetro y la ecuación lineal establecida con este par de valores.

En la Tabla 9, se muestran los valores de las contribuciones o función de utilidad de cada criterio seleccionado para el análisis, acotado entre 1 y 0 (cero). Como se puede ver en esta tabla, para cada parámetro el valor máximo de la función (igual a 1.00) corresponde en cada caso a una especie diferente. Por ejemplo, la mayor Rexplosión, corresponde al papel hecho con fibra de Alcea rosea, que indica buena calidad del papel. En tanto que el mayor rendimiento después de cocción, %R_gc es para la especie Hibiscus rosa-sinensis, que dará entonces el mayor rendimiento en cantidad de papel.

En el análisis multicriterio se determinó el valor promedio de la función de utilidad tomando en cuenta dos ponderaciones. En la primera, se consideró que todos los parámetros tenían igual peso, lo cual equivale a tomar un valor promedio. Para la segunda se determinaron factores de ponderación, empleando el método de análisis jerárquico AHP (^{Bhushan & Rai, 2004}). En la matriz de comparación por pares, se asignó un valor de 3 para la Resistencia a la explosión Rexplosión, considerando este parámetro ligeramente más importante que el resto, mientras que, los demás parámetros fueron considerados igualmente importantes. Se calcula la función promedio considerando las ponderaciones asignadas wi para cada contribución de un criterio en particular (f.u)i . Para igual ponderación, wi=1/7 y con diferente ponderación wi=1/3 para Rexplosión y 1/9 para el resto de los parámetros.

En la Figura 1 se representa la función de utilidad para cada especie evaluada tomando en cuenta las dos ponderaciones utilizadas. El máximo valor que puede tomar la función de utilidad es 1, para una especie que posea los máximos criterios con influencia positiva y los mínimos criterios con influencia negativa. Como se ve en la Figura 1, para las dos ponderaciones las especies Alcea rosea, Saccharum officinarum y Agave americana var. Marginata, tienen los mayores valores de la función de utilidad muy similares entre sí, por lo que se pueden tomar como las tres especies no leñosas más adecuadas para la manufactura del papel artesanal.

Figura 1: Función de utilidad para las especies estudiadas