AVALIAÇÃO DA BIODEGRADAÇÃO DO POLIHIDROXIBUTIRATO (PHB) E BLENDAS DE PHB/PP-G-MA

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1 AVALIAÇÃO DA BIODEGRADAÇÃO DO POLIHIDROXIBUTIRATO (PHB) E BLENDAS DE PHB/PP-G-MA P. J. P de Mesquita 1*, R. J. Araújo 2, T. A. Soares 3, R. Barbosa 3 1. Universidade Federal do Piauí Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais, Campus Universitário Ministro Petrônio Portella, Teresina PI. 2. Universidade Federal do Piauí Curso de Engenharia Mecânica, Campus Universitário Ministro Petrônio Portella, Teresina PI. 3. Universidade Federal do Piauí Curso de Engenharia de Materiais/CT e Laboratório de Polímeros e Materiais Conjugados, Campus Universitário Ministro Petrônio Portella, Teresina PI. * priscyllajordania@gmail.com RESUMO Neste trabalho foi avaliado o processo de biodegradação do PHB e de blendas de PHB/PP-g-MA. Foram preparados filmes com PHB puro e composições de 5% (BL5) e 2,5% (BL2,5) de PP-g-MA. O ensaio de biodegradação foi realizado conforme a norma ASTM G por um período de 86 dias. A avaliação da biodegradação foi realizada por microscopia óptica (MO), perda de massa, FTIR e DRX. O PHB e as blendas apresentaram mudança de coloração e aparecimento de fissuras. Quanto a perda de massa, o PHB apresentou decréscimo de 17,8% em seu peso, enquanto BL2,5 reduziu 12,3% e BL5 15,7%, para 86 dias de exposição em solo simulado. Observou-se também por FTIR redução acentuada na intensidade da banda correspondente aos grupos C=O, indicando que o ataque microbiano promoveu a clivagem das ligações do grupo éster. Por DRX observou-se diminuição na intensidade dos picos e alargamentos dos mesmos com o aumento do tempo de exposição, comprovando o comportamento biodegradativo do PHB e consequentemente das blendas estudadas. Palavras-chave: blendas, biodegradação, PHB. 9591

2 1. INTRODUÇÃO Os polímeros vêm se destacando desde o século passado em decorrência da procura por materiais com variada gama de aplicações, propriedades diversificadas e principalmente alta durabilidade. Dentre estas propriedades a durabilidade é alvo de discussões acerca dos impactos causados ao meio ambiente com o seu descarte, uma vez que, grande parte dos polímeros convencionais é resistente a ataques químicos e biológicos, acarretando em vida útil de centenas de anos. Dentro desse contexto, uma alternativa viável é a utilização de polímeros biodegradáveis, uma vez que podem ser misturados a polímeros de diversas naturezas na forma de blendas garantindo sua aplicabilidade e melhorando a biodegradabilidade do material resultante (1). Os polímeros biodegradáveis podem ser provenientes de fontes naturais renováveis como milho, celulose, batata, cana-de-açúcar ou podem ser sintetizados por bactérias a partir de pequenas moléculas como o ácido butírico ou ácido valérico originarando o polihidroxibutirato PHB e polihidroxibutirato-co-valerato PHB-HV, respectivamente (2). Em geral, o PHB apresenta temperatura de transição vítrea entre 4 e - 10 C e temperatura de fusão de 175 C, sendo um material termicamente instável e apresenta uma viscosidade muito baixa quando fundido (3). A propriedade de maior interesse no PHB é a biodegradabilidade, uma vez que por ser produzido por bactérias, pode ser completamente decomposto em dióxido de carbono e água através da ação de microorganismos como bactérias e fungos. A biodegradabilidade do PHB tem sido investigada em diversos ambientes desde o solo, lagos, rios, aterros, água do mar, dentre outros. Como principal resultado, temse que a taxa de biodegração depende de fatores como temperatura, umidade, ph e disponibilidade de nutriente, bem como se relaciona com a cristalinidade, composição, aditivos e área superficial (4). No intuito de padronizar os métodos para realização de ensaios de biodegradação vários são os institutos que desenvolvem normalização no campos de materiais biodegradáveis, dentre eles a American Society for Testing and Materials (ASTM) que propõe a avaliação da biodegradação através da norma ASTM G (5). Esta prática é destinada para avaliação de matériais sólidos através da exposição de 9592

3 filmes ou placas do material termoplástico em solo previamente preparado com monitoramento da biodegradação através da perda de massa e inspeção visual. Para tanto, o objetivo deste trabalho é avaliar a biodegradação do PHB e de blendas de PHB/PP-g-MA através da exposição em solo simulado conforme a norma ASTM G MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais O polímero biodegradável utilizado foi o poli (3-hidroxibutirato) na forma de pó fornecido pela PHB Industrial S/A - São Paulo com massa molar de 5 x 10 5 g/mol -1. O compatibilizante utilizado foi o polipropileno grafitizado com anidrido maleico (PPg-MA), Polybond 3200, fornecido pela Crompton Aditivos para Olefínicos e Estirênicos São Paulo/SP. O solo foi preparado segundo a norma ASTM G Obtenção das blendas As blendas foram preparadas em extrusora monorosca modelo AX-16 da AX Plásticos sob perfil de temperaturas, variando entre 160, 165 e 175 com velocidade de rosca de 50 rpm, sendo resfriados em água e em seguida peletizados. Foram preparadas blendas nas composições de 97,5% PHB e 2,5 % PP-g-MA (BL2,5) e 95% PHB e 5% PP-g-MA (BL5). 2.3 Ensaio de Biodegradação O solo e as amostras na forma de filmes foram preparados conforme a norma ASTM G e ensaiados por 86 dias. 2.4 Caracterizações Com intuito de avaliar as mudanças ocorridas na superfície dos filmes submetidos ao ensaio de biodegradação, foi realizada análise por microscopia óptica em microscópio óptico Lederer & Avancini, com aumento de 10 X (100 micrômetros). 9593

4 A perda de massa foi avaliada através da pesagem dos filmes em balança analítica tendo como referência a pesagem inicial, em tempo zero de ensaio de biodegradação e pesagem final após o tempo de duração do ensaio e calculado o percentual de perda de massa (A). Onde M0 é a massa em gramas da amostra antes do ensaio de biodegradação e Mf a massa em gramas após o período de exposição ao solo. M 0 M M 0 f.100 (A) Foram realizadas análises por espectroscopia na região do infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) em um espectrômetro SPECTRUM 400 (FT-IR/FT- NIR) da Perkin Elmer com varredura de 4000 a 650 cm -1. E para medição dos parâmetros cristalinos das blendas utilizou-se um difratômetro da marca Shimadzu modelo XRD 6000 operando na faixa angular (2θ) entre 1,5º a 12,5º utilizando CuKα como radiação incidente. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Microscopia Óptica A Figura 1 ilustra as micrografias dos filmes do PHB, BL2,5, BL5 para o tempo de exposição de 14, 28 e 86 dias. Podendo ser observado indicios de degradação tais como rugosidade, formação de fisuras, fragmentação, alteração de cor ou formação de biofilmes na superficie. Estas alterações demonstram a presença de um processo de biodegradação em condições de metabolismo, e o parâmetro de alterações visuais já pode ser usado como um primeiro sinal de qualquer ataque microbiano. Em outros estudos (6) com filmes de PP/PHB atacados por microrganismos das águas do rio Atibaia, observou-se uma estrutura porosa com furos, sugerindo a degradação. Pode-se perceber que após 14 dias de ensaio a primeira alteração verificada está na rugosidade, sendo melhor visualizada para o PHB e BL2,5, pois para as demais amostras no mesmo período de tempo já se observa a deposição de manchas escuras resultantes da degradação da amostra pelos microorganismos com posterior fragmentação. 9594

5 Dias de Exposição Amostras 14 dias 28 dias 86 dias PHB BL2,5 BL5 Figura 1 - Micrografia óptica para filmes após ensaio de biodegradação. 3.2 Perda de Massa Após serem submetidas ao teste de biodegradação em solo simulado foi avaliado o percentual de perda de massa conforme mostra a Tabela I. Pode-se observar que conforme aumenta o tempo em contato com o solo aumenta-se a quantidade de perda de massa do material, comportamento também observado na Figura 1. Tabela I. Variação percentual da perda de massa dos filmes PHB e blendas em diferentes tempos em contato com o solo simulado. Amostras 14 dias (%) 28 dias (%) 86 dias (%) PHB 1,37 ± 0,26 4,35 ± 0,86 17,8 ± 0,64 BL2,5 2,38 ± 0,62 3,27 ± 0,15 12,3 ± 0,51 BL5 2,11 ± 0, 55 4,09 ± 0,44 15,7 ± 0,

6 O PHB apresentou maior perda de massa que as blendas, com 17,8% enquanto BL2,5 reduziu 12,3% e BL5 15,7%. Em estudos com blendas de PHB/PEG (7) os resultados mostraram que os filmes contendo 20 e 40% de PEG perderam 50% de sua massa após 16 e 17 dias, sendo que os filmes com 2, 5 e 10% de PHB só obtiveram o mesmo percentual de perda após 32 dias. Logo, espera-se que com o aumento da porcentagem de PP-g-MA às blendas obtenha-se maior percentual de perda de massa. 3.3 Difração de raios X (DRX) Os perfis de difração para o PHB e as blendas são ilustrados em função do tempo de biodegradação em solo nas Figuras 2 e 3, observando-se redução significativa da intensidade dos picos e alargamento dos mesmos com o aumento do tempo de exposição ao solo. No difratograma a) tem-se o PHB antes do contato com o solo, onde observam-se os seguintes valores de 2 : 13,37, 16,73, 20,05, 21,43, 22,47, 25,33 e 27,04º. Os difratogramas b), c) e d) representam respectivamente o PHB após 14, 28 e 86 dias de exposição ao solo simulado. É possível observar os mesmos planos característicos para o PHB antes da exposição com redução significativa na intensidade desses picos principalmente aos correspondentes as reflexões 021, 101, 111 e 070, bem como alargamento dos picos. Este comportamento é mais evidente nesses planos, devido a degradação seletiva das enzimas na região amorfa ou menos ordenada, permitindo que as mesmas se difundam sob o substrato, embora a região cristalina também possa ser degradada. Este comportamento também foi observado (8) para o PHB exposto a solo contendo os microorganismos Alcaligenes paradoxos e Pseudomonas testosteroni. 9596

7 Intensidade u.a. Intensidade u.a. a) b) c) d) ( ) graus Figura 2 - Difratogramas de raios-x do PHB: a) antes do ensaio, b)14 dias, c) 28 dias e d) 86 dias. a) b) c) d) e) f) g) h) ( ) graus Figura 3 - Difratogramas de raios-x das blendas a) BL2,5 antes do ensaio, b) BL2,5 após 14 dias, c) BL2,5 após 28 dias, d) BL2,5 após 86 dias, e) BL5 antes do ensaio, f) BL5 após 14 dias, g) BL5 após 28 dias e h) BL5 após 86 dias. Na Figura 3, pode-se observar em BL2,5 o coalescimento dos picos em c) e d) que representam respectivamente o período de 28 e 86 dias de exposição em solo simulado. Também é possível notar para 86 dias observa-se uma reorganização da estrutura cristalina, assim como em BL5 com 28 e 86 dias observa-se reorganização da estrutura cristalina. Em estudos (9) com blendas de PHB-HV/Amido anfótero na presença de microorganismos também foi observado alteração na cristalinidade após a biodegradação. 9597

8 Transmitância (u.a.) Espectroscopia na região do infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) A Figura 4 ilustra os espectros de infravermelho para o PHB antes do ensaio de biodegradação (a) e após decorridos 14 (b), 28 (b) e 86 (d) dias de incubação. Em (a) apresenta-se o espectro de infravermelho do PHB antes da exposição ao solo. Em (b), (c) e (d) observa-se uma diminuição acentuada na intensidade da banda de 1718 cm -1 (C=O), indicando que o ataque microbiano promoveu a clivagem das ligações do grupo éster. Ocorreu a diminuição da banda 969 cm -1, indicando a cisão das ligações C-H do polímero. Observa-se também a diminuição da banda 1054 cm -1, referente à ligação C-O. Para o tempo de 14 dias, observa-se praticamente desaparecimento das bandas dos grupos C-H em 2975 e 2930 cm -1, sendo menos nítido para 28 dias de exposição e aparece com maior intensidade em 86 dias a) 1376 PHB b) PHB-28 c) PHB-86 d) Número de onda/ cm -1 Figura 4 Espectros de infravermelho do PHB: a) antes do ensaio, b)14 dias, c) 28 dias e d) 86 dias. Para as blendas o mesmo comportamento prevaleceu como ilustrado na Figuras 5 Para BL2,5 com o tempo de 14 e 86 dias observa-se o desaparecimento das bandas dos grupos C-H em 2975 e 2930 cm -1 e tornam a surgir em 28 dias. Para BL5 observa-se o desaparecimento desta mesma banda, bem como é perceptível a acentuada diminuição aos 86 dias de exposição nas duas blendas, fato ocasionado 9598

9 Transmitância (u.a.) pela biodegradação confirmando a ação dos microorganismos nas reações hidrolíticas dos grupos ésteres e quebras oxidativas da cadeia polimérica a) b) c) d) e) f) g) h) Número de onda /cm -1 Figura 5 - Espectros de infravermelho das blendas a) BL2,5 antes do ensaio, b) BL2,5 após 14 dias, c) BL2,5 após 28 dias, d) BL2,5 após 86 dias, e) BL5 antes do ensaio, f) BL5 após 14 dias, g) BL5 após 28 dias e h) BL5 após 86 dias. 4. CONCLUSÕES Foi observado proporcionalidade na degradação conforme o aumento de tempo em contato com o solo simulado. A perda de massa também foi mais relevante neste mesmo período sendo mais evidente para o PHB. As análises de DRX mostraram que não houve surgimento de novos picos e que há redução significativa da intensidade e alargamento dos mesmos, da mesma forma também foi observado por FTIR diminuição acentuada na intensidade da banda de 1718 cm -1 (C=O). AGRADECIMENTOS Ao Laboratório de Interdisciplinar de Materiais Avançados/UFPI, a empresa PHB Industrial S/A - São Paulo pela doação do PHB e a FAPEPI-Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado do Piauí pelo apoio financeiro. 9599

10 REFERÊNCIAS (1) FARIA, A. U.; MARTINS-FRANCHETTI, S. M. Biodegradação de polipropileno (PP), de polihidroxibutirato (PHB) e da blenda PP/PHB por microrganismos das águas do Rio Atibaia. Pol., v.20, n.2, p , (2) BRITO, G. F.; AGRAWAL, P.; ARAÚJO, E. M.; MÉLO, T. J. A. Biopolímeros, Polímeros biodegradáveis e polímeros verdes. Revista eletrônica de materiais e processos, v.6, n.2, p , (3) SURIYAMONGKOL. P.; WESELAKE. R.; NARINE, S.; MOLONEY, M.; SHAH, S. Biotechnological Approaches for the Production of Polyhydryalkanoates in Microorganisms and Plants A Review. Biotech. Adv., v.25, n.22, p , (4) MERGAERT, J.; WEBB, A.; ANDERSON, C.; WOUTERS, A.; SWINGS, J.; Microbial degradation of poly(3-hydroxybutyrate) and poly(4-hidroxybutirate-cohydroxyvalerate) in natura waters. Can. J. Microbiol., v.41, n.1, p , (5) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM G Standard pratice for Evaluating Microbial Susceptibility of Nonmetallic Materials By Laboratory Soil Burial v (6) FARIA, A. U., MARTINS-FRANCHETTI, S. M. Biodegradação de filmes de polipropileno (PP), poli (30hidroxibutirato) (PHB) e blendas de PP/PHB por microorganismos das àguas do rio Atibaia. Polímeros, v. 20, n.2, p , (7) PARRA, D. F.; FUSARO, J.; GABOARDI, F.; ROSA, D. S. Influence of poly(ethylene glycol) on the thermal, mechanical, morphological, physical-chemical and biodegradation properties of poly(3-hydroxybutyrate). Pol. Degrad. Stab., v.91, n.9, p , (8) NISHIDA, H., TOKIWA, Y. Effects of higher-order struture of poly(3- hydroxybutyrate on its biodegradation. II. Effects of Crystal Struture on Microbial Degradataion. J. Environ. Pol. Degrad., v.1, n.1, p.65-80,

11 (9) COELHO, N. S.; ALMEIDA, Y. M. B.; VINHAS, G. M. A Biodegradabilidade da Blenda de Poli(β-Hidroxibutirato-co-valerato)/Amido anfótero na presença de microorganismo. Polímeros: Ciência e Tecnologia, v.18, n.3, p , ABSTRACT This study evaluated the process of biodegradation of PHB and blends of PHB / PPg-MA. Films were prepared with pure PHB and compositions of 5% (BL5) and 2,5% (BL2,5) PP-g-MA. The biodegradation test was performed according to ASTM G standard for a period of 86 days. The evaluation of the biodegradability was carried out by optical microscopy (OM), weight loss, FTIR and XRD. PHB and blends showed change of color and appearance of cracks. As for weight loss, the PHB showed a decrease of 17,8% in its weight while BL2,5 reduced 12,3% and BL5 15,7%, to 86 days of exposure in simulated soil. It was also observed by FTIR marked reduction in the intensity of the band corresponding to C=O groups, indicating that the microbial attack promoted cleavage of bonds of the ester group. XRD was observed decrease in peak intensity and extensions thereof with the increase of exposure time evidencing the biodegradativo behavior of PHB and thus the blends studied. Keywords: blends, biodegradation, PHB. 9601