POLPA DE FIBRA DE BANANEIRA PARA PRODUÇÃO DE POLÍMEROS DE BIOPLÁSTICO

Ma. Juliana Gutierrez da Silva¹, Dr. Paulo Fortes Neto²

¹Departamento de Ciências Ambientais, Universidade de Taubaté, julianagutierrezadm@gmail.com

² Departamento de Ciências Ambientais, Universidade de Taubaté, paulofortes.neto@gmail.com

Resumo: Com o grande crescimento populacional caracterizado pelo processo de produção e de consumo em massa, fatores como o crescimento populacional, industrialização e modernização, fazem surgir uma grande preocupação com as questões ambientais. Uma delas é o grande consumo de materiais plásticos que são utilizados todos os dias pela sociedade e, para minimização do impacto ambiental causado por esse consumo, uma das alternativas é a produção de polímeros biodegradáveis, que tem como vantagem a sua alta degradabilidade e ainda é obtido de fontes orgânicas, renováveis ou reaproveitáveis. Sendo assim, este estudo teve como objetivo produzir polímeros biodegradáveis a partir da polpa extraída do pseudocaule da fibra de bananeira. No processo de produção do bioplástico foram utilizadas diferentes proporções de amido de milho e polpa de fibra de bananeira, 10 mL de suco de limão, 10 mL de glicerina (99%) e 250 mL de água destilada. No teste de resistência, todas as amostras de bioplástico foram colocadas em placas de Petri, e submetidas inicialmente, em estufa, ajustadas em diferentes temperaturas (30, 40, 60 e 80°C) por 30 minutos para verificar até que temperatura os filmes apresentavam deformações. A temperatura máxima que os filmes suportaram foi de 80ºC, após essa temperatura começaram a queimar. Para o teste de biodegradação utilizou-se 400 gramas de solo (em todos os tratamentos), coletados na camada de 0-20 cm de profundidade. Os tratamentos de bioplástico de 7 x 7,5 cm foram pesados e enterrados no solo e incubados por 18 dias, em estufa com temperatura controlada em 25°C. Os resultados da biodegradação foram medidos através da diferença do peso inicial e final e tiveram uma variação na porcentagem de 34,75% a 82,56%, obtendo-se como média 61% de degradação entre os tratamentos. Dos quatro filmes (tratamentos) produzidos e avaliados, pode-se observar que os melhores resultados foram obtidos nos filmes em que foram adicionadas as maiores quantidades de fibra de bananeira tanto no teste de resistência quanto no teste de biodegradação, o que nos leva a concluir que quanto maior a quantidade de fibra de bananeira, maior será sua resistência. O que deixa claro que são necessárias novas pesquisas, sobre sua finalidade, sua aplicabilidade e testes para identificação de micro-organismos que fazem sua composição.

Abstract: With the great population growth characterized by the production process and mass consumption, factors such as population growth, industrialization and modernization, raise a great concern with environmental issues. One of them is the great consumption of plastic materials that are used every day by society and, to minimize the environmental impact caused by this consumption, one of the alternatives is the production of biodegradable polymers, which has the advantage of its high degradability and is still obtained from organic sources, renewable or reusable. Thus, this study aimed to produce biodegradable polymers from the pulp extracted from the banana tree fiber pseudocaule. Different proportions of corn starch and banana fiber pulp, 10 mL of lemon juice, 10 mL of glycerin (99%) and 250 mL of distilled water were used in the bioplastic production process. In the resistance test, all the bioplastic samples were placed in Petri dishes, and initially submitted to an oven, set at different temperatures (86, 104, 140 and 176°F) for 30 minutes to verify the temperature until the films presented deformations. The maximum temperature that the films supported was 176ºF, after that temperature began to burn. For the biodegradation test, 400 grams of soil was used (in all treatments), collected in the 0-20 cm layer of soil. The 7 x 7.5 cm bioplastic treatments were weighed and buried in the soil and incubated for 18 days in a temperature controlled oven at 77°F. The results of the biodegradation were measured by the difference of the initial and final weight and had a percentage change from 34.75% to 82.56%, obtaining a mean of 61% of degradation between the treatments. From the four films (treatments) produced and evaluated, it can be observed that the best results were obtained in the films in which the highest amounts of banana fiber were added in both the resistance test and the biodegradation test, which leads us to conclude that the larger the amount of banana tree fiber, the greater its resistance. This makes it clear that further research is needed on its purpose, its applicability and tests for the identification of microorganisms that make up its composition.

Introdução

O meio ambiente vem sofrendo com a poluição e degradação causada pelo homem que, por sua vez, estuda e elabora estratégias para diminuir os impactos ambientais causados pela ação antrópica. Uma das estratégias de diminuição dos impactos causados pelo uso excessivo de plásticos é a produção de polímeros, ou seja, de plásticos biodegradáveis que têm como vantagem a alta degradabilidade, além de ter como matéria-prima fontes orgânicas, renováveis ou reaproveitáveis.

A utilização do plástico sucedeu-se em 1862, quando foi inventado pelo inglês Alexander Parkes, o que gerou a redução dos custos comerciais e alimentou os impulsos consumistas da civilização moderna (Fabro et al., 2007). As sacolas de supermercado são obtidas a partir do plástico filme, utilizando-se como matéria-prima uma resina denominada polietileno de baixa densidade (PEBD).

O plástico é um material que existe há um século, portanto, ainda não foi possível determinar precisamente o tempo que delonga o processo de sua degradação, mas sabe-se que é superior a 100 anos. Os danos ao meio ambiente exercido pelo despejo de plásticos nas praias, matas, rios e mares são imensuráveis. Calcula-se que cerca de 90% das sacolas plásticas são destinadas às lixeiras ou como armazenamento de lixo doméstico. Mesmo com a elevada porcentagem de sacolas, estes objetos ocupam aproximadamente apenas 0,3% do volume acumulado nas lixeiras (Fabro et al. 2007).

Em meio a esta situação, a produção de polímeros biodegradáveis por meio de resíduos orgânicos, surge como uma alternativa para amenizar os danos ambientais causados pela utilização de sacolas plásticas. Dentre as fontes alternativas para obtenção de bioplásticos, temos o amido extraído da batata, mandioca, milho, fruto-do-lobo e pó de madeira, palha de milho e microfilmes de celulose (Santos, 2009; Mendes e Cuvelo, 2009; Machado et al., 2010; Santos et al., 2013; Simão et al., 2015).

Este trabalho tem como objetivo a identificação uma nova fonte para produção de filmes biodegradáveis, que possa ser mais acessível ao mercado e futuramente competirem com o plástico comum.

Metodologia

Local do estudo

O estudo foi realizado no Laboratório de Química da Faculdade do Pantanal - FAPAN, situado no município de Cáceres-MT, entre os meses de abril a junho de 2017.

Obtenção do pseudocaule de bananeira e preparo da polpa

O resíduo utilizado foi o pseudocaule de bananeira retirada da camada externa do pseudocaule da espécie Musa sp. As amostras de pseudocaules foram coletadas de uma produção particular de subsistência de um morador da cidade de Cáceres/MT.

A camada externa do pseudocaule foi cortada em tiras de 30 cm de comprimento e largura de 2 cm. As fibras foram secas ao sol por 15 dias, moídas em moinho de facas, e peneiradas em malha de 0,55 mm (Santos et al., 2014).

Para o preparo da polpa, as fibras de bananeira foram colocadas em béquer de 1000 mL nas quantidades de 10, 20 e 25 g, sendo posteriormente acondicionadas em manta aquecedora com agitação manual da solução. Em seguida, adicionou-se 250 mL de solução de NaOH 20% m/v à fibra de bananeira. O sistema foi ajustado até a temperatura de 50°C, com monitoramento a cada 20 minutos, durante 1 hora. Depois desse procedimento, com o auxílio de um filtro, a fibra de bananeira foi lavada com água destilada até a água de lavagem atingir o pH neutro. Posteriormente, a fibra foi colocada em béquer de 1000 mL, contendo 100 mL de solução de HCl 0,5 mol L^-1. Essa mistura foi aquecida e agitada por 45 minutos, no intervalo de temperatura variando entre 60°C a 80°C. O procedimento de lavagem com água destilada até esta atingir o pH neutro foi repetido. A polpa obtida da fibra foi colocada em um béquer de 1000 mL, contendo 200 mL de solução de NaOH 2% m/v, sob agitação e aquecimento até 70°C, por 40 min. Depois a polpa foi lavada até que a água de lavagem apresentasse pH neutro.

Preparo do bioplástico

No processo de produção do bioplástico foram utilizadas diferentes quantidades de amido de milho e polpa de fibra de bananeira (Tabela 1), 10 mL de suco de limão, 10 mL de glicerina (99 %) e 250 mL de água destilada em um béquer de 600 mL, que foi aquecido no bico de Bunsen. Após o aumento da viscosidade, a mistura permaneceu por mais 15 minutos sob a temperatura de 80°C. Nesse ponto, o béquer foi retirado do bico de Bunsen e o gel foi despejado em uma placa de vidro (80 cm x 30 cm), de forma que não fosse totalmente espalhado na placa, para formar um filme mais espesso. A placa de vidro foi exposta ao sol por 3 (três) dias para o processo de secagem, em seguida, o filme formado foi retirado e armazenado em um ambiente livre de poeira (Santos et al., 2014).

Tabela 1 - Quantidades de amido de milho e polpa de fibra de bananeira por tratamento.

FONTE: A autora.

Teste de Resistência à Temperatura

Todas as amostras de bioplástico foram colocadas em placas de Petri, e submetidas ao aquecimento em estufa, em diferentes temperaturas (30, 40, 60 e 80°C) por 30 minutos para verificar em que temperatura os filmes poderiam apresentar deformações. Foram consideradas deformações, as rachaduras que surgiram nos tratamentos.

Teste de biodegradação

Para o teste de biodegradação, foram adicionados às amostras, 400 g de solo, coletado na camada de 0-20 cm de profundidade. As amostras foram pesadas e colocadas em béquer de 500mL, e fragmentos de bioplásticos de 7 x 7,5 cm foram pesados e enterrados no solo e incubados por 18 dias, em estufa com temperatura controlada de 25°C. Em seguida, os fragmentos de bioplásticos foram retirados, lavados para eliminar o solo aderido e colocados em estufa a 40°C por 15 minutos, para secagem e posterior determinação de massa seca e cálculo do percentual de biodegradação.

Resultados e Discussões

Produção do bioplásticos

Na Figura 1 é possível observar diferenças estéticas entre os tratamentos. Os filmes cujas composições tiveram maior quantidade de amido, caracterizaram-se mais transparentes em relação os demais. Os filmes com maior concentração de fibra de bananeira apresentaram aspecto grosseiro, portanto, era preciso que a fibra de bananeira fosse refinada para a produção do filme mais transparente. No entanto, devido à falta de instrumentos adequados a esta pesquisa, não foi possível uma melhor refinação da fibra.

Figura 1 - Filmes de bioplásticos obtidos com diferentes misturas de amido de milho e polpa de fibra de bananeira – Tratamentos: 1, 2, 3, e 4.

FONTE: A autora.

Conforme Bastos e Simão (2007), é possível obter maior adesão fibra/matriz a partir da redução do diâmetro das fibras presentes nos compósitos, mesmo quando são submetidos em condições menos favoráveis de processamento. Os autores ainda destacaram que fibras com menores dimensões podem produzir compósitos com melhores propriedades mecânicas.

Durante a produção dos filmes, pode-se observar que após a mistura do amido, glicerina, limão, água e polpa, a temperatura ideal de cozimento foi de 80ºC, em temperaturas inferiores, não houve finalização do filme. Notou-se ainda que o gel, após ser espalhado na placa de vidro, precisa secar em 2 dias, caso isso não aconteça poderá ocorrer a presença de fungos, como pode ser observado na amostra 1, que levou mais tempo para secar e acabou surgindo fungos em alguns pontos do filme, que não foram identificados quanto a sua espécie.

Teste de Resistência à Temperatura

No teste de resistência, os fragmentos de bioplástico apresentaram comportamentos diferentes quanto aos tratamentos aplicados. Não foram observadas rachaduras visíveis a olho nu, porém os tratamentos apresentaram deformações, em temperaturas acima de 60°C (Figura 2). Os fragmentos não foram submetidos a temperaturas acima de 80ºC, pois temperaturas mais elevadas causaram a queima dos bioplásticos.

Figura 2 - Filmes de bioplásticos com diferentes misturas de amido de milho e polpa de fibra de bananeira, nos tratamentos: 1, 2, 3 e 4, após o teste de resistência à temperatura.

FONTE: A autora.

Em todos os tratamentos submetidos ao teste de resistência à temperatura observou-se ressecamento das amostras de bioplástico, porém não resultaram em rachaduras. Os níveis de ressecamento entre os tratamentos foram diferentes, sendo que, a amostra do tratamento 1 apresentou maior ressecamento e deformação, seguida dos tratamentos 3, 2 e 4. Vale ressaltar que o tratamento 1 foi composto por maior quantidade de amido de milho e menor de fibra de bananeira, indicando que na proporção de 150% de amido e 66,6% de fibra de bananeira menor será a resistência do bioplástico.

Após o teste de resistência à temperatura, as amostras avaliadas dos tratamentos 3 e 4 voltaram às suas características iniciais. As amostras dos tratamentos 1 e 2 permaneceram com as deformações advindas da exposição em diferentes temperaturas, porém não apresentaram ressecamento após a finalização do teste. Os resultados indicam que a adição da fibra de bananeira a partir de 25 gramas proporciona maior resistência à deformação do fragmento de bioplástico.

Balzer et al. (2007), avaliando compósitos de PVC rígido fabricados a partir de fibras de bananeira encontraram resultados semelhantes quanto ao apresentado. Os autores concluíram que a incorporação da fibra de bananeira ao PVC produz os efeitos esperados em qualquer sistema polímero/fibra de reforço: o aumento da resistência, além de trazer outro efeito positivo: a redução, mesmo que discreta, no peso específico do compósito resultante, potencializando a obtenção de componentes com melhor desempenho mecânico e menor peso.

Teste de Biodegradação

Na figura 3 estão apresentados os resultados da biodegradação dos fragmentos de bioplástico entre os tratamentos, incubados no solo por 18 dias. Verifica-se que a biodegradação foi mais acentuada no bioplástico do tratamento 2, que apresentou taxa de biodegradação de 82,56%. Já no bioplástico do tratamento 4 a biodegradabilidade foi mais lenta, com taxa igual a 34,7%. A maior taxa de decomposição do tratamento 2, deve-se, possivelmente, à maior quantidade do amido na composição do bioplástico, pois o amido é um composto de carbono solúvel que em contato com os microorganismos aumenta a velocidade de biodegradação no solo (Sadi et al., 2010; Kasirajan e Ngouajio, 2012).

Figura 3 - Percentual de biodegradação das amostras de bioplástico incubadas por 18 dias no solo.

FONTE: A autora.

Casarin et al. (2013) avaliando o comportamento de blendas formadas a partir de diferentes materiais, observaram que, com o aumento do tempo de contato com o solo maior foi a perda de massa e que as blendas, adicionadas de pó de serra, apresentaram uma maior facilidade em perder massa. O pó de serra utilizado tem as mesmas propriedades que a fibra de bananeira, pois são fontes lignocelulósicas, ou seja, possuem celulose em sua composição.

A amostra do tratamento 1 também foi composta em maior proporção de amido de milho e teve 53,17% de degradação, sendo o terceiro fragmento que mais decomposto, o que indica que o amido pode acelerar o processo de degradação dos bioplásticos.

Na amostra do tratamento 3, verificou-se que as quantidades de fibra e de amido elevadas na mistura ainda mantiveram a degradação alta, 73,5%, enquanto na amostra do tratamento 4, observou-se que, com o aumento somente da quantidade de fibra de bananeira, houve uma diminuição na degradação, 34,7%. Os resultados sugerem que quanto maior a quantidade de fibra e menor a quantidade de amido de milho, menor será a degradação em um curto espaço de tempo, levando em consideração que os fragmentos de bioplásticos foram mantidos em processo de degradação por dezoito dias. Esse comportamento indica que esse composto pode ser usado em produtos que exigem maior tempo de exposição ao solo ou outro ambiente que poderia causar biodegradação. A figura 4 demonstra os filmes após o teste de biodegradação.

Figura 4 - Filmes de bioplástico dos diferentes tratamentos, após 18 dias de incubação em solo.

FONTE: A autora.

Vale ressaltar que as condições de biodegradação em que foram submetidas as amostras eram a temperatura controlada de 25ºC, e o solo mantido com alta umidade nos recipientes. Santos (2007) afirma que existem três fatores que podem influenciar o processo de biodegradação, sendo: a ação de microorganismos capazes de sintetizar diversas enzimas específicas e assim, dar início ao processo; as condições ambientais, principalmente a umidade e por último, a estrutura do polímero, onde se incluem ligações químicas, grau e tipo de ramificação, grau de polimerização, hidrofobicidade, estereoquímica, cristalinidade, entre outros.

Como a fibra de bananeira é um material lignocelulósico, é possível inferir que o filme produzido a partir da mistura contendo polpa de fibra de bananeira poderá absorver mais água do que os outros filmes, o que poderá resultar em maior degradação. Neste estudo todas as amostras dos diferentes tratamentos foram submetidas ao solo com alto grau de umidade, porém o mesmo não foi determinado.

Os filmes biodegradáveis apresentam custos menores de produção, pois a matéria-prima é obtida a partir de resíduos descartáveis. Nesse sentido, há a necessidade de novos estudos para avaliar a ação de micro-organismos na decomposição dos bioplásticos, os custos de produção, a possibilidade de produção em escala industrial, e demais estudos voltados para a produção de uma fonte alternativa que minimize os efeitos negativos do plástico no meio ambiente.

CONCLUSÕES

A fibra de bananeira agrega resistência ao bioplástico.

Quanto maior a quantidade de fibra de bananeira maior será a resistência e menor degradação do bioplástico.

Na composição do bioplástico, a maior proporção de amido contribui para acelerar o processo de biodegradação.

Bibliografia

BALZER, P. S.; VICENTE, L. L.; BRIESEMEISTER, R.; BECKER, D. Estudo das propriedades mecânicas de um composto de PVC modificado com fibras de bananeira. Polímeros: Ciência e Tecnologia, v. 17, n. 1, p. 1-4, 2007.

BASTOS, D. C; SIMÃO, R. A. Compósitos de amido termoplástico reforçados com fibra de bananeira. Anais... 9º Congresso Brasileiro de Polímeros. 2007. Disponível em: <https://www.ipen.br/biblioteca/cd/cbpol/2007/PDF/488.pdf>. Acesso em: 09/08/2017.

CASARIN, S. A.; AGNELLI, J. A. M.; MALMONGE, S. M.; ROSÁRIO, F. Blendas PHB/copoliésteres biodegradáveis – biodegradação em solo. Polímeros. v.23, n.1, p.115-122, 2013. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/po/2013nahead/aop_0885.pdf>. Acesso em: 8 out. 2017.

FABRO, A. T.; LINDEMANN, C.; VIEIRA, S. C. Utilização de sacolas plásticas em supermercados. Ciências do Ambiente, v.3, n.1, 2007.

KASIRAJAN, S.; NGOUJIO, M. Polyethylene and biodegradable mulches for agricultural aplicattions: a review. Agronomy for Sustainable Development, v.32, p.501-529, 2012.

MACHADO, M. L. C.; PEREIRA, N. C.; MIRANDA, L. F.; TERENCE, M. C. Estudo das propriedades mecânicas e térmicas do polímero poli-3-hidroxibutirato (PHB) e de compósitos PHB/pó de madeira. Polímeros: Ciência e Tecnologia. v.20, n.01, p. 65-71. 2010.

MENDES, F. M.; CURVELO, A. A. S. Produção e caracterização de bioplásticos a partir de amido de batata, poli-hidroxibutirato e poli-hidroxibutirato-co-valerato. Congresso brasileiro de polímeros. Anais eletrônicos... Paraná: 2009. Disponível em: <https://www.ipen.br/biblioteca/cd/cbpol/2009/PDF/926.pdf>. Acesso em: 25 nov. /2015.

SADI, R. K.; FECHINE, G. J. M.; DEMARQUETTE, N. R. Photodegradation of poly (3-hydroxybutyrate). Polymer Degradation Stability, v. 95, n.12, p. 2318-2327, 2010

SANTOS, R. F. S. Estabilização radiolítica do polímero biodegradável poli (hidroxibutirato) (PHB). 2007. 89p. Dissertação (Mestrado) – Departamento de Energia Nuclear – Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2007.

SANTOS, A. P. Extração e caracterização do amido do fruto-do-lobo (Solanum lycocarpumSt. Hil.) e elaboração de filmes biodegradáveis. Anápolis: Universidade Estadual de Goiás, Curso de Mestrado em Ciências moleculares, 2009.

SANTOS, B.; SILVA, R. S.; COELHO, T. M.; FILHO, N. A. Produção de bioplásticos a partir do amido de mandioca. Anais eletrônicos... VIII Encontro internacional de produção cientifica, CESUMAR, 2013, Paraná: CESUMAR, 2013.

SANTOS, Y. D. R.; SILVA, L. V. A. T.; SANTOS, J. V. I.; SILVA, V. N. T. Utilização do amido e da palha de milho na produção de bioplásticos biodegradáveis. Anais... 54° Congresso brasileiro de química. Rio Grande do Norte. 2014. Disponível em:< http://www.abq.org.br/cbq/2014/trabalhos/14/5668-18422.html>. Acesso em: 15 out. 2015.

SIMÃO, R. S. ALMEIDA, P. P. PASCUAL, N. B.; LAURINDO, J. B. Produção e avaliação de microfibras de celulose para aplicação em filmes de amido de mandioca produzidos por tape-casting. Anais... XI Congresso brasileiro de engenharia química em iniciação científica. UNICAMP- São Paulo. 2015.