En el sector agroalimentario, la sostenibilidad y la economía circular juegan un papel fundamental para abordar los desafíos ambientales y promover prácticas más responsables. En este contexto, las soluciones basadas en la naturaleza (SbN) se presentan como estrategias innovadoras para conseguir estos objetivos. En este artículo os contamos uno de los proyectos relacionados con esta temática en el queestamos desarrollando materiales con mejor capacidad higiénica frente a grasas usando la naturaleza como fuente de inspiración.
Es el proyecto BIOMIMAT, financiado a través de la convocatoria FEDER IVACE, en el que nos hemos centrado en identificar soluciones naturales que por su estructura química y/o morfológica evitan la adhesión del fouling (depósitos de residuos) o incluso logran eliminarlo, como es el caso de las estructuras autolimpiables.
Objetivo: combatir los depósitos de residuos grasos de la industria alimentaria
La búsqueda la hemos realizado definiendo dos configuraciones de estudio con condiciones de trabajo que representan a gran variedad de industrias alimentarias. En concreto, se han establecido para combatir los depósitos de residuos grasos de la industria alimentaria. Estos depósitos deben ser eliminados con exigentes protocolos de limpieza que suponen un elevado consumo de recursos, con gran impacto a nivel económico y medioambiental.
En general, el fouling presente en equipos e instalaciones en contacto con alimentos suele ser muy complejo químicamente, ya que combina diversidad de componentes (proteínas, hidratos de carbono, grasas, minerales…) mezclados tanto en estado sólido como líquido. Lo cual genera, dificultades para diseñar protocolos de limpieza y desinfección más específicos.
1. Búsqueda de modelos biomiméticos para repeler grasas en metales
Dentro de esta configuración, hemos seleccionado los metales como objeto de trabajo. La búsqueda y análisis de modelos biomiméticos ha evidenciado que las estructuras y topografías que se encuentran en la naturaleza son complejas y, en ocasiones, difíciles de reproducir. Por ello, en la elección del modelo no sólo se ha puesto el foco en la repelencia frente a aceites y durabilidad sino también en la facilidad de manufactura.
De acuerdo con estos hallazgos, hemos preseleccionado el texturizado láser como técnica de fabricación, ya que permite crear patrones geométricos de manera rápida y muy precisa. Además, se pueden controlar los parámetros ópticos del sistema pudiendo controlar la profundidad, tamaño y repetición de las microestructuras. Sin embargo, es un método costoso, con un escalado e industrialización limitados a corto plazo.
De esta manera hemos seleccionado dos modelos con capacidad para repeler grasas:
- Escamas de peces
Son estructuras ordenadas con jerarquía a varios niveles, micro y nanoscópico. Suelen presentar un recubrimiento denominado mucus, que refuerza su capacidad para repeler grasa bajo el agua. Sin embargo, algunos estudios han demostrado que, tras la retirada de este recubrimiento, mantienen su baja adherencia al aceite. Se seleccionan las escamas de pez tilapia, cuya microestructura puede verse en la siguiente figura, ya que ha sido analizada en estudios encontrados en la bibliografía y se conoce su morfología y microestructura. Lo cual facilita la obtención de los parámetros láser para la recreación de dicha microestructura.
- Colémbolo
Es una estructura reentrante con jerarquía a dos niveles tal y como muestra la figura. Dicha topografía le confiere propiedades omnifóbicas, es decir, de repelencia a gran número de líquidos. Por lo tanto, se trata de una estructura muy interesante a nivel tecnológico, a pesar de que requiere un proceso costoso de fabricación (requiere de la aplicación de varias tecnologías de elevado coste). En el marco del proyecto hemos llevado a cabo una adaptación de esta microestructura, de forma que pueda ser fabricada con láser. Por ello, se ha requerido un proceso más complejo para identificar los parámetros láser correspondientes.
Así, en la configuración 1 hemos fabricado dos prototipos de acero con dichas microestructuras, buscando la máxima repelencia a aceites posible, minimizando su energía superficial.
2. Búsqueda de modelos biomiméticos que repelan grasa en plásticos
En esta configuración hemos elegido los plásticos por su gran presencia en instalaciones alimentarias como, por ejemplo, en cintas transportadoras. Sin embargo, hay ciertas dificultades técnicas para su funcionalización. Por ejemplo, el texturizado láser no es aplicable en muchos casos por las temperaturas de procesado que implica. Por ello, hemos escogido otra técnica de fabricación, en la que AINIA contamos con experiencia previa: la aditivación. Vamos a realizar una búsqueda de aditivos que repelan grasa, así como de las condiciones de fabricación por extrusión de dichos polímeros.
Diseño del método de evaluación de la limpiabilidad
Se desarrolla un protocolo de evaluación para determinar la limpiabilidad de los prototipos fabricados. Dicho protocolo se diseña en varias partes: ensuciamiento, limpieza e inspección.
- El ensuciamiento se elabora probando distintos tipos de residuos grasos, marcadores fluorescentes y condiciones de ensuciamiento. En la limpieza se optimiza el número de pasadas, humedad, temperatura, presión del agua y tiempo de reposo del residuo en la superficie. Para la limpieza se utiliza un brazo robótico que permite automatizar los parámetros de limpieza.
- Se establece así un protocolo a partir del material base que permite evaluar qué prototipo se limpia mejor respecto a este.
- Por último, la inspección se realiza mediante análisis de imagen de las superficies tras el ensuciamiento y tras la limpieza, pudiendo evaluar la suciedad residual y el impacto de las microestructuras.
La microestructuración mejora la limpiabilidad de los aceros frente a residuos grasos
Los resultados que hemos obtenido hasta el momento son los correspondientes al modelo recreado a partir del colémbolo. Para comprobar el efecto de la microestructuración y optimizar el texturizado láser hemos realizado un ensayo de evaluación de la limpiabilidad. Hemos evaluado la limpiabilidad de 12 microestructuras (sobre el acero) basadas en la del colémbolo con distintos parámetros láser y del acero sin ningún tratamiento. En la siguiente figura podemos observar la muestra de referencia tras ensuciamiento y tras la aplicación del protocolo de limpieza.
Tras ensuciamiento 
Tras limpieza
Observamos una disminución del residuo graso, sin embargo, no se elimina completamente. Se realiza el mismo procedimiento con la muestra con las microestructuras con el siguiente resultado:
Tras ensuciamiento 
Tras limpieza
Como observamos en la imagen, hay una disminución significativa de la suciedad residual en las microestructuras 5-12. Además, en las zonas del material base que no presentan texturizado láser no se observa esta mejoría. Por otro lado, estas microestructuras se caracterizan y se observa que presentan cierta repelencia al aceite, aunque con esta iteración no se han alcanzado los rangos deseados. Continuaremos trabajando en la optimización de estas muestras para la creación del prototipo, así como en el modelo de pez tilapia y la aditivación del plástico.
En general, parece evidente que la microestructuración mejora la limpiabilidad de los aceros frente a residuos grasos. ¿Es esto aplicable a otros materiales? y a ¿otros residuos? BIOMIMAT deja abiertas múltiples cuestiones que serán resueltas en otros proyectos que van a dar continuidad a la línea de investigación dedicada al desarrollo de materiales más limpiables.
